容量力センサーを有する感知デバイス
【課題】優れた感知デバイスを得る。
【解決手段】基材とインタラクションを行うための感知デバイスが実現される。この感知デバイスは、当該感知デバイスが基材とインタラクションを行っているかどうかを検出するための力センサーと、基材上に配置された符号化データを感知するためのイメージセンサーとを有する。力センサーは、容量センサー回路を有し、この容量センサー回路は、当該容量センサー回路の出力が１／Ｃｓｅｎに比例するように配列された可変静電容量Ｃｓｅｎを有するセンサーキャパシタを組み込んでいる。
【解決手段】基材とインタラクションを行うための感知デバイスが実現される。この感知デバイスは、当該感知デバイスが基材とインタラクションを行っているかどうかを検出するための力センサーと、基材上に配置された符号化データを感知するためのイメージセンサーとを有する。力センサーは、容量センサー回路を有し、この容量センサー回路は、当該容量センサー回路の出力が１／Ｃｓｅｎに比例するように配列された可変静電容量Ｃｓｅｎを有するセンサーキャパシタを組み込んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力センサーに関する。本発明は、主に、ペン、ポインタ、及び同類のものなどの光感知デバイスにおいて使用するための力センサーを実現するために開発された。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、以下で詳述されるネットページシステムを開発した。本発明は、特にこのシステム用の感知デバイスに適しているので、ネットページの文脈において説明することにする。しかし、力センサーは、多くの用途に利用されていることは理解されるであろう。特に、ハンドヘルド型光センサーには、さまざまな分野における幅広い用途があり、本発明は、ネットページシステムつまり実際には光感知デバイスの中での使用に限定されるわけではない。
【０００３】
ネットページシステムは、ペンと紙を使用したインターフェースを介してユーザーとコンピュータネットワーク（又はスタンドアロンコンピュータ）との間のインタラクションを伴う。「ペン」とは、マーキング又はノンマーキングのペン先と紙（又は他の表面）上の符号化データのパターンを読み取るための光センサーとを備える電子スタイラスのことである。
【０００４】
ネットページペンの主要な特徴の１つは、マウスを使って画面上のインタラクティブ要素（例えば、ハイパーリンクなど）をクリックするのと同じようにしてネットページ上のインタラクティブ要素を「クリック」できることである。しかし、ネットページペンの場合、ユーザーは、単にペン先をクリックしたいインタラクティブ要素上に置くだけである。光センサーは、ペン先がページに対して押し付けられたときに力センサーが「ペンダウン」状態を登録する間に、その要素をその一意的なページ及び位置ＩＤを介して識別する。「ペンダウン」及び「ペンアップ」の登録は、さらに、ネットページ入力フィールドへのユーザーの手書きを取り込むうえで基本的なものである。力に関係する幅及び不透明度が可変である手描きストロークを再現するために非２値力信号も取り込まれる。また力の変化も、署名照合時に調べられる次元のうちの１つの次元として使用されうる。
【０００５】
力センサーは、正確に比較的軽い力（ペン先に対する手書きの力など）を感知するために必要である。また、これは、最小限度の電力を必要とし、ハンドヘルド型感知デバイスに組み込むのに適したものであるべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６９２９１８６号
【発明の概要】
【０００７】
第１の態様では、本発明は、容量センサー回路を備える力センサーであって、その容量センサー回路が、その容量センサー回路の出力が１／Ｃｓｅｎに比例するように配列された可変静電容量Ｃｓｅｎを有するセンサーキャパシタを組み込んでいる力センサーを実現する。
【０００８】
適宜、センサーキャパシタは、１つの固定された板と、１つの移動可能な板とを有する平行板キャパシタである。
【０００９】
適宜、移動可能な板は、その移動可能な板に加えられる圧力によって、固定された板に相対的に移動し、これにより板の分離距離と前記静電容量Ｃｓｅｎを変化させるように構成される。
【００１０】
適宜、圧縮バネが、移動可能な板に連結される。
【００１１】
適宜、センサーキャパシタは、そのセンサーキャパシタの板の１つが容量センサー回路に直結されるように容量センサー回路の容量帰還回路内に配置される。
【００１２】
適宜、容量センサー回路は、シグマ／デルタコンバータ回路である。
【００１３】
第２の態様では、本発明は、基材とのインタラクションを行うための感知デバイスであって、当該感知デバイスが基材とインタラクションを行っているかどうかを検出するための力センサーと、基材上に配置されている符号化データを感知するためのイメージセンサーとを備え、前記力センサーが容量センサー回路を備え、その容量センサー回路が、その容量センサー回路の出力が１／Ｃｓｅｎに比例するように配列された可変静電容量Ｃｓｅｎを有するセンサーキャパシタを組み込んでいる感知デバイスを実現する。
【００１４】
さらなる態様では、感知された符号化データを使用してインタラクションデータを生成するように構成されたプロセッサを備える感知デバイスが実現される。
【００１５】
他の態様では、感知デバイスが基材とインタラクションを行っていることを力センサーが検出したときのみイメージセンサーが符号化データを感知するように構成された感知デバイスが実現される。
【００１６】
さらなる態様では、ペン先又はスタイラスを持たないクリッカー、ノンマーキングスタイラスを有するポインタ、及びマーキング用ペン先を有するペンからなる群から選択される感知デバイスが実現される。
【００１７】
適宜、センサーキャパシタは、１つの固定された板と、１つの移動可能な板とを有する平行板キャパシタである。
【００１８】
適宜、移動可能な板は、その移動可能な板に加えられる圧力によって、固定された板に相対的に移動し、これにより板の分離距離と前記静電容量Ｃｓｅｎを変化させるように構成される。
【００１９】
適宜、圧縮バネが、移動可能な板に連結される。
【００２０】
適宜、センサーキャパシタは、そのセンサーキャパシタの板の１つが容量センサー回路に直結されるように容量センサー回路の容量帰還回路内に配置される。
【００２１】
適宜、容量センサー回路は、シグマ／デルタコンバータ回路である。
【００２２】
第３の態様では、本発明は、可変静電容量Ｃｓｅｎを有するセンサーキャパシタと、Ｃｓｅｎが最小予測値をとるときに容量センサー回路が飽和に近づくように相対的に配列された基準キャパシタとを組み込んだ容量センサー回路を備える力センサーを実現する。
【００２３】
適宜、センサーキャパシタは、１つの固定された板と、１つの移動可能な板とを有する平行板キャパシタである。
【００２４】
適宜、移動可能な板は、その移動可能な板に加えられる圧力によって、固定された板に相対的に移動し、これにより板の分離距離と前記静電容量Ｃｓｅｎを変化させるように構成される。
【００２５】
適宜、圧縮バネが、移動可能な板に連結される。
【００２６】
適宜、容量センサー回路は、シグマ／デルタコンバータ回路である。
【００２７】
適宜、相関二重サンプリングが、シグマ／デルタコンバータ回路の積分器に適用される。
【００２８】
第４の態様では、本発明は、基材とのインタラクションを行うための感知デバイスであって、当該感知デバイスが基材とインタラクションを行っているかどうかを検出するための力センサーと、基材上に配置されている符号化データを感知するためのイメージセンサーとを備え、前記力センサーが容量センサー回路を備え、その容量センサー回路が、可変静電容量Ｃｓｅｎを有するセンサーキャパシタと、Ｃｓｅｎが最小予測値をとるときに容量センサー回路が飽和に近づくように相対的に配列された基準キャパシタとを組み込んでいる感知デバイスを実現する。
【００２９】
さらなる態様では、感知された符号化データを使用してインタラクションデータを生成するように構成されたプロセッサを備える感知デバイスが実現される。
【００３０】
他の態様では、感知デバイスが基材とインタラクションを行っていることを力センサーが検出したときのみイメージセンサーが符号化データを感知するように構成された感知デバイスが実現される。
【００３１】
さらなる態様では、ペン先又はスタイラスを持たないクリッカー、ノンマーキングスタイラスを有するポインタ、及びマーキング用ペン先を有するペンからなる群から選択される感知デバイスが実現される。
【００３２】
適宜、センサーキャパシタは、１つの固定された板と、１つの移動可能な板とを有する平行板キャパシタである。
【００３３】
適宜、移動可能な板は、その移動可能な板に加えられる圧力によって、固定された板に相対的に移動し、これにより板の分離距離と前記静電容量Ｃｓｅｎを変化させるように構成される。
【００３４】
適宜、圧縮バネが、移動可能な板に連結される。
【００３５】
適宜、容量センサー回路は、シグマ／デルタコンバータ回路である。
【００３６】
適宜、相関二重サンプリングが、シグマ／デルタコンバータ回路の積分器に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】基本的なネットページアーキテクチャの一実施形態を示す図である。
【図２】サンプルの印刷されたネットページとそのオンラインページ記述との間の関係を示す略図である。
【図３】リレーデバイスのさまざまな代替え形態を持つ基本ネットページアーキテクチャの一実施形態を示す図である。
【図３Ａ】ネットワークを介して相互接続されているネットページサーバ、Ｗｅｂ端末、プリンタ、及びリレーの集合体を示す図である。
【図４】印刷されたネットページとそのオンラインページ記述の高水準構造を示す略図である。
【図５Ａ】ネットページタグの構造を示す平面図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示されているタグの集合とネットページペンの形態のネットページ感知デバイスの視野との間の関係を示す平面図である。
【図６Ａ】ネットページタグの代替えの構造を示す平面図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示されているタグの集合とネットページペンの形態のネットページ感知デバイスの視野との間の関係を示す平面図である。
【図６Ｃ】ターゲットが隣接するタグ間で共有される図６ａに示されているタグのうちの９つのタグの配列を示す平面図である。
【図６Ｄ】図６Ａに示されているタグの４つのコードワードのシンボルのインタリーブ及び回転を示す平面図である。
【図７】タグイメージ処理及び復号化アルゴリズムの流れ図である。
【図８】ネットページペン及びその関連するタグ感知視野円錐を示す斜視図である。
【図９】図８に示されているネットページペンの分解組立斜視図である。
【図１０】図８及び９に示されているネットページペン用のペンコントローラの概略ブロック図である。
【図１１】ペンクラスダイアグラムの略図である。
【図１２】ドキュメント及びページ記述クラスダイアグラムの略図である。
【図１３】ドキュメント及びページ所有クラスダイアグラムの略図である。
【図１４】端末要素特化クラスダイアグラムの略図である。
【図１５】静的要素特化クラスダイアグラムの略図である。
【図１６】ハイパーリンク要素クラスダイアグラムの略図である。
【図１７】ハイパーリンク要素特化クラスダイアグラムの略図である。
【図１８】ハイパーリンクグループクラスダイアグラムの略図である。
【図１９】フォームクラスダイアグラムの略図である。
【図２０】デジタルインククラスダイアグラムの略図である。
【図２１】フィールド要素特化クラスダイアグラムの略図である。
【図２２】チェックボックスフィールドクラスダイアグラムの略図である。
【図２３】テキストフィールドクラスダイアグラムの略図である。
【図２４】署名フィールドクラスダイアグラムの略図である。
【図２５】入力処理アルゴリズムの流れ図である。
【図２５Ａ】図２５の流れ図の１つのステップの詳細な流れ図である。
【図２６】ハイパーリンクリクエストクラスダイアグラムの略図である。
【図２７】ローデジタルインククラスダイアグラムの略図である。
【図２８】固定された板と移動可能な板とを持つ平行板キャパシタの略図である。
【図２９】従来の（Ｃｓｅｎに比例する）センサーを示す略図である。
【図３０】１／Ｃセンサーの略図である。
【図３１】出力される符号と外力との関係を示す図である。
【図３２】量子化による測定誤差を示す図である。
【図３３】２次の１／Ｃ ＣＤＣを示す略図である。
【図３４】２次回路に対する従来の改善を示す略図である。
【図３５】オフセット２次回路を示す略図である。
【図３６】ＣＤＳ演算を示す図である。
【図３７】Ｃｉｎｌの誤差を示す図である。
【図３８】Ｃｃａｎの誤差を示す図である。
【図３９】漏れ電流±５０ｎＡ、チョッピング周波数ｃｌｋ／２の積分器１の出力を示す図である。
【図４０】センサー並列抵抗（１８ＭΩ）の効果を示す図である。
【図４１】コモンモード電圧を示す図である。
【図４２】加え合わせ点電圧を示す図である。
【図４３】センサー等価回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の任意の実施形態は、限定されない実施例のみを使って、付属の図面を参照しつつ説明される。注記：メムジェット（Ｍｅｍｊｅｔ）（商標）は、オーストラリア所在のＳｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｔｙ Ｌｔｄ社の商標である。
【００３９】
好ましい実施形態では、本発明は、ネットページネットワーク接続コンピュータシステムと連携するように構成されており、これらの詳細な概要について以下に示す。すべての実装が、基本システムに関して以下で説明されている具体的な詳細及び拡張の全部を、又は大部分であっても、必ずしも具現化するとは限らないことは理解されるであろう。しかし、システムは、本発明の好ましい実施形態及び態様が動作する背景状況を理解しようとしたときに外部の参考文献をあまり参照しなくて済むように最も完全な形で説明されている。
【００４０】
簡単に述べると、ネットページシステムの好ましい形態では、マッピングされた表面、つまり、コンピュータシステム内に保持されている表面のマップへの参照を含む物理的表面の形態のコンピュータインターフェースを使用する。マップ参照に対するクエリーが、適切な感知デバイスによって行われうる。特定の実装に応じて、マップ参照は、可視的に、又は不可視的に符号化され、マッピングされた表面上のローカルクエリーがマップ内及び異なるマップ間の両方において曖昧でないマップ参照を生成するように定義されうる。コンピュータシステムは、マッピングされた表面上の特徴に関する情報を格納することができ、そのような情報は、マッピングされた表面とともに使用される感知デバイスによって供給されるマップ参照に基づいて取り出すことができる。こうして取り出された情報は、オペレータと表面特徴とのインタラクションに応じてオペレータの代わりにコンピュータシステムによって起動されるアクションの形態をとりうる。
【００４１】
好ましい形態では、ネットページシステムは、ネットページの生成及びネットページに対するヒューマンインタラクションを利用する。これらは、通常の紙に印刷された、ただしインタラクティブなＷｅｂページのように機能する数ページ分のテキスト、グラフィックス、及びイメージである。情報は、肉眼では実質的に見えないインクを使用してそれぞれのページ上に符号化される。しかし、インクは、したがって符号化されたデータは、光学式撮像感知デバイスによって感知され、ネットページシステムに伝送されるようにできる。感知デバイスは、クリッカー（表面上の特定の位置をクリックするため）、スタイラス（ポインタストロークを使用して表面上でポイントするか、又はジェスチャーを使用するため）を有するポインタ、又はマーキング用ペン先（表面上でポイントしたり、ジェスチャーを使用したり、書いたりするときに表面にインクでマーキングするため）を有するペンの形態をとりうる。
【００４２】
一実施形態では、それぞれのページ上のアクティブボタン及びハイパーリンクは、ネットワークに情報を要求するか、又はネットワークサーバにプリファレンスを信号で伝えるために、感知デバイスでクリックされうる。一実施形態では、ネットページ上に手書きされたテキストは、ネットページシステム内で自動的に認識され、コンピュータテキストに変換され、これによりフォームへの書き込みが可能になる。他の実施形態では、ネットページ上に記録された署名は、自動的に照合され、ｅコマース取引を安全に認証することができる。他の実施形態では、ユーザーによって指示されたキーワードに基づき検索を開始するために、ネットページ上のテキストがクリックされるか、又はテキストに対しジェスチャーが使用されうる。
【００４３】
図２に例示されているように、印刷されたネットページ１は、ユーザーによって、印刷されたページ上に、物理的に書き込まれるだけでなく、ペンとネットページシステムとの間の通信を介して「電子的に」書き込まれうるインタラクティブフォームを表すことができる。この実施例は、名前及びアドレスのいくつかのフィールドと送信ボタンを含む「リクエスト」フォームを示している。ネットページは、可視インクを使用して印刷されたグラフィックデータ２と、不可視インクを使用してタグ４の集合体として印刷された符号化データ３とからなる。ネットページネットワーク上に格納されている、対応するページ記述５で、ネットページの個別要素を記述する。特に、これは、ネットページシステムがネットページを介して入力を正しく解釈できるように、それぞれのインタラクティブ要素（つまり、実施例におけるテキストフィールド又はボタン）のタイプ及び空間的広がり（ゾーン）を記述する。例えば、サブミットボタン６は、対応するグラフィック８の空間的広がりに対応するゾーン７を有する。
【００４４】
図１及び３に例示されているように、図８及び９に示され、以下でさらに詳しく説明されているペンなどのネットページ感知デバイス１０１は、家庭で使用する、事務所で使用する、又は移動中に使用するためのインターネット接続デバイスであるネットページリレーデバイス６０１と連携動作する。ペンは、無線通信を行い、短距離無線リンク９を介してネットページリレーデバイス６０１と安全に通信する。代替えの一実施形態では、ネットページペン１０１は、リレーデバイス６０１に対しＵＳＢ又は他のシリアル接続などの有線接続を使用する。
【００４５】
リレーデバイス６０１は、インタラクションデータを解釈する、ページサーバ１０にインタラクションデータを中継する基本機能を実行する。図３に示されているように、リレーデバイス６０１は、例えば、パーソナルコンピュータ６０１ａ、ネットページプリンタ６０１ｂ、又は他の何らかのリレー６０１ｃの形態をとりうる。
【００４６】
ネットページプリンタ６０１ｂは、定期的に、又はオンデマンドで、個人向け新聞、雑誌、カタログ、冊子、及び他の刊行物を、すべてインタラクティブネットページとして高品位印刷して配布することができる。パーソナルコンピュータとは異なり、ネットページプリンタは、例えば、ユーザーの台所で、朝食のテーブルの近くで、又はその日１日の家庭の出発点の近くでなど、朝のニュースが最初に消費される領域に隣接して壁掛けできるアプライアンスである。さらに、テーブルの上に置くバージョン、机の上に置くバージョン、携帯型バージョン、及び小型バージョンのものもある。消費の時点においてオンデマンドで印刷されるネットページは、紙の使いやすさとインタラクティブ媒体の即時性及び双方向性とを兼ね備える。
【００４７】
それとは別に、ネットページリレーデバイス６０１は、携帯電話若しくはＰＤＡなどの携帯型デバイス、ラップトップ若しくはデスクトップコンピュータ、又はテレビなどの共有ディスプレイに接続された情報アプライアンスとしてもよい。リレーデバイス６０１が、ネットページをオンデマンドでデジタル印刷するネットページプリンタ６０１ｂでない場合、ネットページは、オフセット印刷、フレキソ印刷、スクリーン印刷、凸版印刷、及び輪転グラビア印刷などの技術を使用する伝統的なアナログ印刷機によって、さらにはドロップオンデマンドインクジェット、連続インクジェット、転染、及びレーザー印刷などの技術を使用するデジタル印刷機によって印刷されうる。
【００４８】
図３に示されているように、ネットページ感知デバイス１０１は、印刷されたネットページ１上の、又は製品２５１のラベルなどの他の印刷された基材上の符号化データとのインタラクションを実行し、短距離無線リンク９を介してそのインタラクションをリレーデバイス６０１に伝える。リレー６０１は、解釈のため対応するインタラクションデータを関連するネットページページサーバ１０に送信する。感知デバイス１０１から受信されたローデータは、インタラクションデータとしてページサーバ１０に直接中継されうる。それとは別に、インタラクションデータは、インタラクションＵＲＩの形で符号化され、ユーザーのＷｅｂブラウザを介してページサーバ１０に送信されうる。もちろん、リレーデバイス６０１（例えば、携帯電話）は、Ｗｅｂブラウザとユーザーディスプレイを組み込むことができる。
【００４９】
該当する状況において、ページサーバは、対応するメッセージをネットページアプリケーションサーバ１３上で実行中のアプリケーションコンピュータソフトウェアに送信する。アプリケーションサーバは、次いで、応答を送信することができ、この応答は、リレー６０１に関連付けられているユーザーディスプレイデバイス上に表示されるか、又は発信元のネットページプリンタ上で印刷される。
【００５０】
ネットページリレーデバイス６０１は、任意の数の感知デバイスをサポートするように構成することができ、感知デバイスは、任意の数のネットページリレーと連携動作しうる。好ましい実装では、それぞれのネットページ感知デバイス１０１は一意的な識別子を有する。これにより、それぞれのユーザーは、ネットページページサーバ１０又はアプリケーションサーバ１３に関して異なるプロファイルを維持することができる。
【００５１】
ネットページ１のデジタルオンデマンド配布は、利用が高まっているブロードバンドインターネットアクセスを利用するネットページプリンタ６０１ｂによって実行されうる。ネットページネットワーク上のネットページパブリケーションサーバ１４は、印刷品質の刊行物をネットページプリンタに配信するように構成される。定期刊行物は、ポイントキャスト及びマルチキャストのインターネットプロトコルを介してサブスクライブするネットページプリンタに自動的に配信される。個人向け刊行物は、個々のユーザープロファイルに従ってフィルタ処理され、フォーマットされる。
【００５２】
ネットページペンは、ネットページ登録サーバ１１に登録され、１つ又は複数の決済カード口座にリンクされうる。これにより、ネットページペンを使用してｅコマース決済を安全に認証することができる。ネットページ登録サーバは、ネットページペンによって取り込まれた署名とすでに登録されている署名との比較を行い、ｅコマースサーバに対しユーザーＩＤを認証することができる。他のバイオメトリクスも、本人確認に使用できる。ネットページペンの一バージョンは、ネットページ登録サーバによって類似の方法で確認される、指紋スキャニングを含む。
【００５３】
ネットページシステムのアーキテクチャ
システムにおけるそれぞれのオブジェクトモデルは、統一モデリング言語（ＵＭＬ）クラスダイアグラムを使用して記述される。クラスダイアグラムは、関係によって接続されたオブジェクトクラスの集合からなり、ここでは、関連と汎化という２つの種類の関係に注目する。関連は、オブジェクト間のある種の関係、つまりクラスのインスタンス間のある種の関係を表す。汎化は、実際のクラスを関係付けるもので、クラスがそのクラスのすべてのオブジェクトの集合と考えられ、クラスＡがクラスＢの汎化であれば、Ｂは、単に、Ａの部分集合であるというように理解できる。ＵＭＬでは、２次モデリング、つまり、クラスのクラスを直接的にはサポートしていない。
【００５４】
それぞれのクラスは、クラスの名称をラベル付けされた矩形として描画される。これは、水平線で名前から区切られている、クラスの属性のリストと、水平線で属性リストから区切られている、クラスのオペレーションのリストとを含む。しかし、以下のクラスダイアグラムでは、オペレーションは決してモデル化されない。
【００５５】
関連は、関連の多重度をいずれかの端に適宜ラベルとして付けられた、２つのクラスを結合する１本の直線として描画される。デフォルトの多重度は、１である。アスタリスク（＊）は、「多」の多重度、つまり、０若しくはそれ以上を示す。それぞれの関連は、適宜その名前をラベル付けされ、また適宜いずれかの端で対応するクラスの役割をラベル付けされる。白抜きの菱形は、集約関連（「ｉｓ−ｐａｒｔ−ｏｆ」（の一部である））を示し、関連線のアグリゲータ端に描画される。
【００５６】
汎化関係（「ｉｓ−ａ」）は、２つのクラスを結合する１本の実線として描画され、汎化端に矢印（白抜きの三角形の形）がある。
【００５７】
クラスダイアグラムが、複数のダイアグラムに分解される場合、複製されるクラスは、それを定義する主ダイアグラムを除くすべてにおいて破線の輪郭で示される。これは、定義されている場合にのみ属性とともに示される。
【００５８】
１ ネットページ
ネットページは、ネットページネットワークを構築するための基礎である。ネットページは、公開された情報及びインタラクティブサービスに対する紙を利用したユーザーインターフェースを構成する。
【００５９】
ネットページは、ページのオンライン記述を参照しつつ不可視タグが付けられた印刷されたページ（又は他の表面領域）からなる。オンラインページ記述は、ネットページページサーバ１０によって永続的に保持される。ページ記述は、テキスト、グラフィックス、及びイメージを含む、ページの可視レイアウト及びコンテンツを記述するものである。また、ボタン、ハイパーリンク、及び入力フィールドを含む、ページ上の入力要素も記述する。ネットページを使用すると、表面上にネットページペンで付けられたマーキングが、ネットページシステムによって同時に取り込まれ、処理されるようにできる。
【００６０】
複数のネットページ（例えば、アナログ印刷機によって印刷されたネットページ）は、同じページ記述を共有することができる。しかし、他の何らかの形で同一のページを通じての入力を区別できるように、それぞれのネットページに、一意的なページ識別子を割り当てることができる。このページＩＤは、非常に多くのネットページを区別できる十分に高い精度を有する。
【００６１】
ページ記述に対するそれぞれの参照は、印刷されたタグに符号化される。それぞれのタグは、それが出現する一意的なページを識別し、それにより、ページ記述を間接的に識別する。タグは、さらに、ページ上のそれ固有の位置を識別する。タグの特性については、以下でさらに詳しく説明される。
【００６２】
タグは、典型的には、通常の紙などの赤外線を反射する基材上に赤外線吸収インクで印刷されるか、又は赤外線蛍光インクで印刷される。近赤外線波長は、人の目には不可視であるが、適切なフィルタを使った固体イメージセンサーを使用すれば容易に感知される。
【００６３】
タグは、ネットページ感知デバイス内のエリアイメージセンサーによって感知され、タグデータは、最も近い位置にあるネットページリレーデバイスを介してネットページシステムに伝送される。ペンは、無線通信を行い、短距離無線リンクを介してネットページリレーデバイスと通信する。タグは、十分に小さく、またページ上でシングルクリックしただけでも感知デバイスが少なくとも１つのタグを確実に撮像できる程度に密に配列されている。インタラクションはステートレスなので、ペン側でページとのインタラクション毎にページのＩＤ及び位置を認識することが重要である。タグは、表面の損傷に対する部分的耐性を持たせるために誤り訂正可能なように符号化される。
【００６４】
ネットページページサーバ１０は、それぞれの一意的な印刷されたネットページについて一意的なページインスタンスを保持し、これにより、印刷されたネットページ毎にページ記述の入力フィールドに対しユーザーが指定する値の異なる集合を保持することができる。
【００６５】
ページ記述、ページインスタンス、及び印刷されたネットページの間の関係は、図４に示されている。印刷されたネットページは、印刷されたネットページドキュメント４５の一部とすることができる。ページインスタンスは、それを印刷したネットページプリンタと、もし知られているならば、それを要求したネットページユーザーの両方に関連付けることができる。
【００６６】
２ ネットページタグ
２．１ タグデータのコンテンツ
好ましい一実施形態では、それぞれのタグは、それが出現する領域、及び領域内におけるそのタグの位置を識別する。タグは、さらに、全体として領域に関係するか、又はそのタグに関係するフラグを含むこともできる。例えば、１つ又は複数のフラグビットは、タグ感知デバイス側で領域の記述を参照しなくても、タグの即時領域に関連する機能を示すフィードバックを返すようにタグ感知デバイスに通知することができる。例えば、ネットページペンは、ハイパーリンクのゾーン内にあるときに「アクティブ領域」ＬＥＤを点灯させることができる。
【００６７】
以下でさらに詳しく説明するように、好ましい一実施形態では、それぞれのタグは、初期検出を補助し、表面によって、又は感知プロセスによって引き起こされる反りの効果を最小限に抑えるのを助ける、容易に認識される不変構造を含む。これらのタグは、好ましくはページ全体をタイリングし、十分に小さく、またページ上でシングルクリックしただけでもペンが少なくとも１つのタグを確実に撮像できる程度に密に配列されている。インタラクションはステートレスなので、ペン側でページとのインタラクション毎にページのＩＤ及び位置を認識することが重要である。
【００６８】
好ましい一実施形態では、タグが参照する領域は、ページ全体と一致し、したがって、タグ内に符号化されている領域ＩＤは、タグが出現するページのページＩＤと同義である。他の実施形態では、タグが参照する領域は、ページの任意の部分領域であるか、又は他の表面であってもよい。例えば、これは、インタラクティブ要素のゾーンと一致してもよく、この場合、領域ＩＤはインタラクティブ要素を直接的に識別することができる。
【表１】
それぞれのタグは、１２０ビットの情報を含み、これらは典型的には表１に示されているように割り当てられている。最大タグ密度が６４／平方インチであると仮定すると、１６ビットタグＩＤは、最大１０２４平方インチまでの領域サイズをサポートする。単に隣接する領域とマップを使用するだけでタグＩＤの精度を高めることなく、より大きな領域を連続的にマッピングできる。１００ビット領域ＩＤを使用すると、２１００（約１０３０つまり、１００万の１兆倍の１兆倍）個の異なる領域を一意的に識別することができる。
【００６９】
２．２ タグデータの符号化
１２０ビットのタグデータは、（１５，５）リードソロモン符号を使用して冗長符号化される。これにより、それぞれ１５個の４ビットシンボルからなる６個のコードワードからなる３６０個の符号化ビットが得られる。（１５，５）符号を使用すると、最大５個のまでのシンボル誤りをコードワード毎に訂正することができる、つまり、１コードワード当たり最大３３％までのシンボル誤り率に耐える。
【００７０】
それぞれの４ビットシンボルは、空間的にコヒーレントな方法でタグ内に表現され、６個のコードワードのシンボルは、そのタグ内で空間的にインタリーブされる。これにより、バースト誤り（複数の空間的に隣接するビットに影響を及ぼす誤り）が損なう、全体的なシンボルの数及び任意の１つのコードワード内のシンボルの数が最小限に抑えられることが保証され、したがって、バースト誤りが完全に訂正されうる可能性が最大になる。
【００７１】
好適な誤り訂正符号を（１５，５）リードソロモン符号の代わりに使用することができ、例えば、冗長度を増やした、又は減らした、同じ又は異なるシンボル及びコードワードサイズを使用するリードソロモン符号、他のブロック符号、又は畳み込み符号などの異なる種類の符号を代わりに使用できる（例えば、相互参照により本明細書に内容が組み込まれている、Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｂ．Ｗｉｃｋｅｒ、「Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅ」、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌｌ １９９５年を参照のこと）。
【００７２】
２．３ 物理的タグ構造
図５ａに示されている、タグの物理的表現は、固定ターゲット構造１５、１６、１７、及び可変データ領域１８を含む。固定ターゲット構造を使用すると、ネットページペンなどの感知デバイスでタグを検出し、センサーに相対的な３次元の配向を推論することができる。データ領域は、符号化されたタグデータの個別のビットの表現を含む。
【００７３】
タグの再現性を適切なものとするために、タグは２５６×２５６ドットの分解能でレンダリングされる。１６００ドット／インチで印刷した場合、これにより、直径約４ｍｍのタグが得られる。この分解能で、タグは半径１６ドットの「静かな領域」によって囲まれるように設計されている。この静かな領域には、隣接するタグも寄与するので、タグの有効径に１６ドットを加えるのみである。
【００７４】
タグは、６個のターゲット構造を含む。検出リング１５により、感知デバイスは最初にタグを検出することができる。リングは、回転に対し不変であるため、またそのアスペクト比の単純な補正で、遠近歪みの影響の大半が取り除かれるため、検出が容易である。配向軸１６を使用することで、感知デバイスはセンサーのヨーによるタグの近似的平面配向を決定することができる。配向軸は、一意的な配向が得られるように傾いている。４つの透視ターゲット１７により、感知デバイスはタグの正確な２次元透視変換、したがってセンサーに相対的なタグの正確な３次元位置及び配向を推論することができる。
【００７５】
すべてのターゲット構造は、ノイズに対する耐性を増すために大きさに冗長性を持たせてある。
【００７６】
全体的なタグ形状は円形である。これは、とりわけ、不規則三角形格子上で最適なタグ充填をサポートする。円形検出リングと併用することで、これにより、タグ内のデータビットの円形配列を最適にものにできる。そのサイズを最大化するために、それぞれのデータビットは、２本の半径方向の直線と２つの同心円の円弧を境界線とする領域形態において半径方向のウェッジによって表される。それぞれのウェッジは、１６００ｄｐｉで最小寸法８ドットを有し、その基部（その内弧）がこの最小寸法に少なくとも等しくなるように設計される。半径方向のウェッジの高さは、常に最小寸法に等しい。それぞれの４ビットデータシンボルは、２×２のウェッジのアレイによって表される。
【００７７】
６個のコードワードのそれぞれの１５個の４ビットデータシンボルは、インタリーブされた形で４つの同心円シンボルリング１８ａから１８ｄに割り当てられる。シンボルは、タグの周りを円にそって進みつつ交互に割り当てられる。
【００７８】
インタリーブは、同一コードワードの２つのシンボルの間の平均空間距離を最大にするように設計される。
【００７９】
感知デバイスを介してタグ付き領域との「シングルクリック」インタラクションをサポートするために、感知デバイスは、領域内のどこに位置しようと、又はどのような配向で位置しようと、視野内で少なくとも１つのタグ全体が見えるようになっていなければならない。したがって、感知デバイスの視野の必要な直径は、タグのサイズ及び間隔の関数として表される。
【００８０】
円形のタグ形状を仮定すると、センサー視野の最小直径は、タグが図５ｂに示されているように等辺三角形格子上にタイリングされるときに得られる。
【００８１】
２．４ タグのイメージ処理及び復号化
ネットページペンなどの感知デバイスによって実行されるタグのイメージ処理及び復号化は、図７に示されている。取り込まれたイメージがイメージセンサーから取得されている間に、イメージのダイナミックレンジが決定される（２０で）。そこで、範囲の中心は、イメージ２１のバイナリ閾値として選択される。次いで、イメージは閾値化されて、複数の連結ピクセル領域（つまり、形状２３）にセグメント分割される（２２で）。小さすぎてタグターゲット構造を表現できない形状は、破棄される。それぞれの形状のサイズ及び重心も、計算される。
【００８２】
次いで、形状毎に２値形状モーメント２５が計算され（２４で）、これらは、その後ターゲット構造を特定するための基礎となる。中心形状モーメントは、その性質上、位置の不変量であり、縮尺、アスペクト比、及び回転の不変量に容易にできる。
【００８３】
リングターゲット構造１５は、最初に特定されるべきものである（２６で）。リングは、遠近歪みが生じたときに非常によい振る舞いをするという利点を有する。マッチングは、それぞれの形状のモーメントをアスペクト正規化し、回転正規化することにより進行する。２次モーメントが正規化されると、リングは、遠近歪みが大きかったとしても容易に認識できる。リングの元のアスペクト及び回転２７は、一緒になって、透視変換の有用な近似を与える。
【００８４】
軸ターゲット構造１６は、次に特定されるべきものである（２８で）。マッチングは、それぞれの形状のモーメントにリングの正規化を適用し、その結果得られるモーメントを回転正規化することにより進行する。２次モーメントが正規化された後、軸ターゲットは容易に認識される。軸の２つの可能な配向の曖昧さをなくすには、３次モーメントが１つ必要であることに留意されたい。これが可能なように、形状は片側へ故意に傾けられている。また、遠近歪みが軸ターゲットの軸を隠すことができるため、リングの正規化を適用された後に軸ターゲットを回転正規化することのみ可能であることにも留意されたい。軸ターゲットの元の回転は、ペンのヨー２９によりタグの回転の有用な近似を与える。
【００８５】
４つの透視ターゲット構造１７は、最後に特定されるべきものである（３０で）。リング及び軸ターゲットに対する知られている空間的関係、リングのアスペクト及び回転、並びに軸の回転に基づき、これらの位置のよい推定値が計算される。マッチングは、それぞれの形状のモーメントにリングの正規化を適用することにより進行する。２次モーメントが正規化された後、円形透視ターゲットは容易に認識され、それぞれの推定された位置に最も近い位置にあるターゲットが一致とみなされる。次いで、４つの透視ターゲットの元の重心は、タグ空間内の知られているサイズの正方形の遠近歪みのあるコーナー３１とみなされ、自由度８の透視変換３３は、４つのタグ空間とイメージ空間点対との関係を定めるよく理解されている式を解くことに基づき（３２で）推論される（相互参照により本明細書に内容が組み込まれている、Ｈｅｃｋｂｅｒｔ、Ｐ．、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｔｅｘｔｕｒｅ Ｍａｐｐｉｎｇ ａｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｗａｒｐｉｎｇ」、Ｍａｓｔｅｒｓ Ｔｈｅｓｉｓ、Ｄｅｐｔ．ｏｆ ＥＥＣＳ、Ｕ．ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ａｔ Ｂｅｒｋｅｌｅｙ、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．ＵＣＢ／ＣＳＤ８９／５１６、１９８９年６月を参照のこと）。
【００８６】
タグ空間内のそれぞれの知られているデータビット位置をイメージ空間内に（３６で）射影するために推論されたタグ空間／イメージ空間透視変換が使用されるが、その際に入力イメージ内の４つの関連する隣接ピクセルを（３６で）双線形補間するために実数値をとる位置が使用される。すでに計算されているイメージ閾値２１は、その結果を閾値化して最終的なビット値３７を出力するために使用される。
【００８７】
３６０個すべてのデータビット３７が、このようにして得られた後、６つの６０ビットリードソロモンコードワードのそれぞれが復号化され（３８で）、２０個の復号化されたビット３９、つまり合計１２０個の復号化されたビットが得られる。コードワードシンボルは、コードワード順序でサンプリングされ、したがってコードワードは、サンプリングプロセスにおいて暗黙のうちに逆インタリーブされることに留意されたい。
【００８８】
リングターゲット１５は、リングがもし見つかれば完全なタグの一部であることを保証するイメージとの関係を持つイメージの部分領域内でのみ探索される。完全なタグが見つからず、正常に復号化された場合、現在のフレームについてペン位置はいっさい記録されない。適切な処理能力があり、理想的には最小でない視野１９３を持つ場合、代替え戦略として、現在のイメージ内で他のタグを探す必要がある。
【００８９】
得られたタグデータは、タグを含む領域の識別及びその領域内のタグの位置を示す。次いで、領域内のペン先の正確な位置３５とともにペンの全体的配向３５が、タグ上で観察された透視変換３３及びペンの物理的軸とペンの光軸との間の知られている空間的関係から（３４で）推論される。
【００９０】
２．５ 代替えのタグ構造
上述のタグ構造は、タグの規則正しいタイリングが可能でない場合のある非平面の表面のタグ付けをサポートするように設計されている。より一般的である、タグの規則正しいタイリングが可能な平面の表面、つまり、用紙などの表面の場合には、タイリングの規則正しさを利用する、より効率的なタグ構造が使用されうる。
【００９１】
図６ａは、４つの透視ターゲット１７を持つ正方形のタグ４を示している。構造に関してはＢｅｎｎｅｔｔらの米国特許第５０５１７４６号明細書で説明されているタグと似ている。タグは、合計２４０ビットについて、６０個の４ビットリードソロモンシンボル４７を表す。タグは、それぞれの１ビットをドット４８として表し、それぞれのゼロビットを、対応するドットが存在しないことで表す。透視ターゲットは、図６ｂ及び６ｃに示されているように、隣接するタグの間で共有されるように設計されている。図６ｂは、１６個のタグの正方形のタイリング及び対応する最小視野１９３を示しているが、これは、２つのタグの対角線にわたっていなければならない。図６ｃは、９つのタグの正方形のタイリングを示しているが、例示のためすべての１ビットを含む。
【００９２】
１１２ビットのタグデータは、（１５，７）リードソロモン符号を使用して冗長符号化され、２４０個の符号化ビットを生成する。４つのコードワードは、バースト誤りに対する回復力が最大になるようにタグ内で空間的にインタリーブされる。１６ビットタグＩＤを前のように仮定すると、これにより、最大９２ビットまでの領域ＩＤが得られる。
【００９３】
タグのデータを保持するドット４８は、隣接要素と重ならないように設計されており、したがって、タグのグループがターゲットに似た構造を生成することはありえない。また、これによりインクが節約される。したがって、透視ターゲットでは、タグを検出することができ、したがって他のターゲットは不要である。タグイメージ処理は、上の第１．２．４節で説明されているように進行するが、ただし、ステップ２６及び２８は省かれる。
【００９４】
タグは、センサーに相対的なタグの４つの可能な配向の曖昧さの除去を可能にする配向機能を備えることができるけれども、タグデータ中に配向データを埋め込むことも可能である。例えば、これら４つのコードワードは、それぞれのタグ配向が、図６ｄに示されているように、その配向に置かれている１つのコードワードを含むように配列することができ、それぞれのシンボルは、そのコードワードの数（１〜４）及びコードワード内のシンボルの位置（Ａ〜Ｏ）をラベル付けされる。次いで、タグ復号化は、それぞれの配向で１つのコードワードを復号化することからなる。それぞれのコードワードは、それが第１のコードワードであるかどうかを示す単一のビットを含むか、又はそれがどのコードワードであるかを示す２つのビットを含むことができる。後者のアプローチには、例えば、ただ１つのコードワードからなるデータコンテンツが必要な場合に、所望のデータを得るために高々２つのコードワードを復号化すればよいという利点がある。これは、領域ＩＤが１つのストローク内で変化するとは予想されず、したがってストロークの開始時にのみ復号化される場合であると考えられる。次いで、１つのストローク内で、タグＩＤを含むコードワードのみが望まれる。さらに、感知デバイスの回転は、１つのストローク内でゆっくりと予測可能なように変化するため、典型的には、ただ１つのコードワードがフレーム毎に復号化されるだけでよい。
【００９５】
まったく透視ターゲットなしで済ますことが可能であり、代わりに、データ表現が自己登録することに依存することが可能である。この場合、それぞれのビット値（又は多ビット値）は、典型的には、明示的グリフによって表される、つまり、どのビット値も、グリフが存在しないことによって表されることはない。これにより、データ格子は適切に埋められることが保証され、したがって、その格子を確実に識別し、その遠近歪みを検出し、その後、データサンプリング時に訂正することができる。タグ境界を検出できるようにするために、それぞれのタグデータは、マーカーパターンを含んでいなければならず、またこれらは、確実に検出できるように冗長符号化されなければならない。このようなマーカーパターンのオーバーヘッドは、明示的な透視ターゲットのオーバーヘッドに似ている。このようなスキームの１つでは、格子頂点に相対的なさまざまな点に位置するドットを使用して、異なるグリフを表し、したがって異なる多ビット値を表す（Ａｎｏｔｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ、Ａｎｏｔｏ ２０００年４月を参照のこと）。
【００９６】
追加のタグ構造は、本発明の出願人又は譲受人によって出願された米国特許の公報（前述した特許文献１）において開示されている。
【００９７】
２．６ タグマップ
タグを復号化すると、その結果、領域ＩＤ、タグＩＤ、及びタグ相対的ペン変換が得られる。タグＩＤ及びタグ相対的ペン配置をタグ付き領域内の絶対配置に変換する前に、その領域内のタグの配置が知られていなければならない。この配置は、タグマップによって与えられるが、これは、タグ付き領域内のそれぞれのタグＩＤを対応する配置にマッピングする機能である。タグマップクラスダイアグラムは、ネットページプリンタクラスダイアグラムの一部として図２２に示されている。
【００９８】
タグマップは、タグを含む表面領域をタイリングするために使用されるスキームを反映し、これは表面の種類に応じて異なりうる。複数のタグ付き領域が、同じタイリングスキーム及び同じタグナンバリングスキームを共有する場合、これらは、さらに、同じタグマップも共有しうる。
【００９９】
１つの領域に対するタグマップは、領域ＩＤを介して取り出せなければならない。したがって、領域ＩＤ、タグＩＤ、及びペン変換が与えられた場合、タグマップが取り出され、タグＩＤがその領域内の絶対タグ配置に変換され、タグ相対的ペン配置がタグ配置に追加され、これによりその領域内の絶対ペン配置が得られる。
【０１００】
タグＩＤは、タグマップを介した変換を補助する構造を有していてもよい。例えば、タグＩＤが出現する表面の種類に応じて、直交座標（ｘ−ｙ）又は極座標を符号化することができる。タグＩＤ構造は、タグマップによって指示され、タグマップに認識され、したがって、異なるタグマップに関連付けられたタグＩＤは、異なる構造を持つことができる。
【０１０１】
２．７ タグ付けスキーム
好ましい符号化スキームでは、すでに説明したように「配置指示」タグを使用する。代替え符号化スキームでは、オブジェクト指示タグを使用する。
【０１０２】
配置指示タグは、タグ付き領域に関連付けられているタグマップを介して変換されたときに、その領域内で一意的なタグ配置を生成するタグＩＤを含む。ペンのタグ相対的配置が、このタグ配置に加えられ、これにより、領域内のペンの配置が求められる。次いで、これは、その領域に関連付けられているページ記述におけるユーザーインターフェース要素に相対的なペンの配置を決定するために使用される。ユーザーインターフェース要素それ自体が識別されるだけでなく、ユーザーインターフェース要素に相対的な配置も識別される。したがって、配置指示タグが、特定のユーザーインターフェース要素のゾーン内の絶対ペン経路の取り込みをサポートするのは自明である。
【０１０３】
オブジェクト指示タグは、その領域に関連付けられているページ記述でユーザーインターフェース要素を直接識別するタグＩＤを含む。ユーザーインターフェース要素のゾーン内のすべてのタグは、そのユーザーインターフェース要素を識別し、それらをすべて同じものにし、したがって、区別できなくする。したがって、オブジェクト指示タグは、絶対ペン経路の取り込みをサポートしない。しかし、相対的ペン経路の取り込みは、サポートする。位置サンプリング頻度が、遭遇するタグの頻度の２倍を超える限り、１つのストローク内での一方のサンプリングされたペン位置から次の位置への変位は、明確に決定されうる。
【０１０４】
いずれかのタグ付けスキームを使用することで、タグは、タグデータが感知デバイスによって読み取られ、適切な応答がネットページシステム内に生成されるようにユーザーが適切な感知デバイスを使用して印刷されたページとのインタラクションを行うことができるという点でユーザーインタラクティブ要素としてネットページ上の関連する視覚的要素と連携して機能する。
【０１０５】
３ ドキュメント及びページ記述
ドキュメント及びページ記述クラスダイアグラムの好ましい一実施形態は、図１２及び１３に示されている。
【０１０６】
ネットページシステムでは、ドキュメントは３つのレベルで記述される。最も抽象的なレベルにおいて、ドキュメント８３６は階層構造をなし、この構造の終端要素８３９はテキストオブジェクト、テキストスタイルオブジェクト、イメージオブジェクトなどのコンテンツオブジェクト８４０に関連付けられている。ドキュメントがプリンタで特定のページサイズに印刷されると、ドキュメントはページ番号を付けられ、また他の何らかの形でフォーマットされる。フォーマットされた終端要素８３５は、場合によっては、特にコンテンツオブジェクトがスタイルに関係付けられている場合に、対応する終端要素に関連付けられているものと異なるコンテンツオブジェクトに関連付けられる。ドキュメント及びページのそれぞれの印刷インスタンスは、さらに、別々に記述され、これにより、特定のページインスタンス８３０を通じて取り込まれた入力を同じページ記述の他のインスタンスを通じて取り込まれた入力とは別に記録することができる。
【０１０７】
ページサーバ上に最も抽象的なドキュメント記述が存在するため、ソースドキュメントの特定のフォーマットを無理矢理受け入れさせずともドキュメントのコピーを印刷することができる。ユーザー又は印刷機は、例えば、異なるページサイズでプリンタ用のコピーを要求している場合がある。逆に、ページサーバ上にフォーマットされたドキュメント記述が存在することにより、ページサーバは、特定の印刷されたページ上のユーザーアクションを効率よく解釈することができる。
【０１０８】
フォーマットされたドキュメント８３４は、一組のフォーマットされたページ記述５からなり、それぞれの記述は一組のフォーマットされた終端要素８３５からなる。それぞれのフォーマットされた要素は、ページ上に１つの空間的広がりつまりゾーン５８を有する。これにより、ハイパーリンク及び入力フィールドなどの入力要素のアクティブ領域が定義される。
【０１０９】
ドキュメントインスタンス８３１は、フォーマットされたドキュメント８３４に対応する。これは、一組のページインスタンス８３０からなり、それぞれのインスタンスは、フォーマットされたドキュメントのページ記述５に対応する。それぞれのページインスタンス８３０は、単一の一意的な印刷ネットページ１を記述し、ネットページのページＩＤ ５０を記録する。ページインスタンスは、別に要求されたページのコピーを表す場合にはドキュメントインスタンスの一部ではない。
【０１１０】
ページインスタンスは、一組の終端要素インスタンス８３２からなる。要素インスタンスは、インスタンス特有の情報を記録する場合にのみ存在する。したがって、ハイパーリンクインスタンスは、そのページインスタンスに特有のトランザクションＩＤ ５５を記録するのでハイパーリンク要素に対し存在し、フィールドインスタンスは、そのページインスタンスに特有の入力を記録するのでフィールド要素に対し存在する。しかし、要素インスタンスは、テキストフローなどの静的要素については存在しない。
【０１１１】
終端要素８３９は、視覚的要素又は入力要素とすることができる。視覚的要素は、静的要素８４３又は動的要素８４６とすることができる。入力要素は、図１４に示されているように、ハイパーリンク要素８４４又はフィールド要素８４５とすることができる。静的要素８４３は、図１５に示されているように、関連するスタイルオブジェクト８５４を有するスタイル要素８４７、関連するスタイル化されたテキストオブジェクト８５５を有するテキストフロー要素８４８、関連するイメージオブジェクト８５６を有するイメージ要素８４９、関連するグラフィックオブジェクト８５７を有するグラフィック要素８５０、関連するビデオクリップオブジェクト８５８を有するビデオクリップ要素８５１、関連するオーディオクリップオブジェクト８５９を有するオーディオクリップ要素８５２、又は関連するスクリプトオブジェクト８６０を有するスクリプト要素８５３とすることができる。
【０１１２】
ページインスタンスは、特定の入力要素に適用されないページ上で取り込まれた任意のデジタルインクを記録するために使用されるバックグラウンドフィールド８３３を有する。
【０１１３】
本発明の好ましい形態では、タグマップ８１１が、ページ上のタグをページ上の配置に変換できるようにそれぞれのページインスタンスに関連付けられている。
【０１１４】
４ ネットページネットワーク
好ましい一実施形態では、ネットページネットワークは、図３に示されているように、インターネットなどのネットワーク１９を介して接続されている、ネットページページサーバ１０、ネットページ登録サーバ１１、ネットページＩＤサーバ１２、ネットページアプリケーションサーバ１３、及びネットページリレーデバイス６０１の分散型の集合体からなる。
【０１１５】
ネットページ登録サーバ１１は、ユーザー、ペン、プリンタ、及びアプリケーションの間の関係を記録するサーバであり、これにより、さまざまなネットワーク活動の許可を行う。これは、ユーザーを認証し、アプリケーショントランザクションにおいて認証されたユーザーに代わってサイニングプロキシとして動作する。これはまた、手書き認識サービスも提供する。上述のように、ネットページページサーバ１０は、ページ記述及びページインスタンスに関する永続的情報を保持する。ネットページネットワークは、任意の数のページサーバを備え、それぞれのサーバはページインスタンスの部分集合を処理する。ページサーバは、さらに、ページインスタンス毎にユーザー入力値を維持するので、ネットページリレー６０１などのクライアントは、ネットページ入力を直接、適切なページサーバに送信する。ページサーバは、対応するページの記述に関してそのような入力を解釈する。
【０１１６】
ネットページＩＤサーバ１２は、オンデマンドでドキュメントＩＤ ５１を割り当て、そのＩＤ割当てスキームを用いてページサーバの負荷分散を行う。
【０１１７】
ネットページリレーは、インターネット分散型ネームシステム（ＤＮＳ）、又は同様のものを使用して、ネットページＩＤ ５０を、対応するページインスタンスを処理するネットページページサーバのネットワークアドレスに帰着させる。
【０１１８】
ネットページアプリケーションサーバ１３は、インタラクティブネットページアプリケーションをホストするサーバである。
【０１１９】
ネットページサーバは、ＩＢＭ、Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ、及びＳｕｎなどのメーカー製のさまざまなネットワークサーバプラットフォーム上でホストされうる。複数のネットページサーバを単一のホスト上で同時実行させることができ、また単一のサーバを多数のホスト上に分散させることができる。ネットページサーバによって提供される機能の一部又は全部、並びに特にＩＤサーバ及びページサーバによって提供される機能は、また、ネットページプリンタなどのネットページアプライアンスにおいて、又はコンピュータワークステーションにおいて、又はローカルネットワーク上でも直接提供されうる。
【０１２０】
５ ネットページペン
ネットページシステムのアクティブな感知デバイスは、クリッカー（表面上の特定の位置をクリックするため）、スタイラス（ポインタストロークを使用して表面上でポイントするか、又はジェスチャーを使用するため）を有するポインタ、又はマーキング用ペン先（表面上でポイントしたり、ジェスチャーを使用したり、書いたりするときに表面にインクでマーキングするため）を有するペンの形態をとりうる。本明細書では、ペン１０１が説明されているけれども、クリッカー及びポインタは、類似の構造を持つものとしてもよいことは理解されるであろう。ペン１０１では、組込コントローラ１３４を使用して、イメージセンサーを介して１つのページからネットページタグを取り込んで復号化する。イメージセンサーは、近赤外線波長でのみ感知を許す適切なフィルタを備えた固体デバイスである。以下でさらに詳しく説明されるように、システムは、ペン先が表面といつ接触したかを感知することができ、ペンは、人間の手書きを取り込む十分なレートで（つまり、２００ｄｐｉ又はそれ以上、及び１００Ｈｚ又はそれ以上の速さで）タグを感知することができる。ペンによって取り込まれた情報は、暗号化されて、無線によりプリンタ（又は基地局）に送信され、プリンタ又は基地局が（知られている）ページ構造に照らしてデータを解釈することができる。
【０１２１】
ネットページペン１０１の好ましい実施形態は、通常のマーキングインクペンとしての動作及びノンマーキングスタイラスとして（つまり、ポインタとして）の動作の両方を行う。しかし、マーキングの態様は、インターネットインターフェースとして使用される場合などには、ネットページシステムをブラウジングシステムとして使用するうえでは不要である。それぞれのネットページペンは、ネットページシステムに登録され、一意的なペンＩＤ ６１を有する。図１１は、ネットページペンクラスダイアグラムを示しており、これはネットページネットワーク上で登録サーバ１１によって保持されるペン関連情報を反映する。
【０１２２】
ペン先がネットページと接触すると、ペンは、その位置及び配向をページに相対的に決定する。ペン先は、力センサーに取り付けられ、ペン先にかかる力は、閾値に関して解釈され、ペンが「上がっている（アップ）」のか「降りている（ダウン）」のかを示す。このため、ペン先で押すことによりページ上のインタラクティブ要素を「クリック」し、例えば、ネットワークに情報を要求することができる。さらに、力は連続値として取り込まれ、例えば、署名の力学的プロセス全体を照合することができる。力センサーについては、第８節でさらに詳しく説明される。
【０１２３】
ペンは、赤外線スペクトルで、ペン先の近くにあるページの一領域１９３を撮像することにより、ネットページ上のそのペン先の位置及び配向を決定する。これは、最も近い位置にあるタグを復号化し、撮像されたタグ上の観察された遠近歪み及びペンの光学系の知られている幾何学的形状からタグに相対的なペン先の位置を計算する。タグの位置分解能は、低い場合があるけれども、ページ上のタグ密度は、タグサイズに反比例するので、調整された位置分解能は、極めて高く、正確な手書き認識に必要な最小分解能を超える。
【０１２４】
ネットページに関するペンアクションは、一連のストロークとして取り込まれる。ストロークは、ペンダウンイベントによって開始され、その後のペンアップイベントによって完了する、ページ上のタイムスタンプが記録されたペン位置の１つの系列からなる。ストロークは、さらに、ページＩＤが変化したときに必ずネットページのページＩＤ ５０をタグとして付けられ、通常の状況下では、ストロークの開始時に行われる。
【０１２５】
それぞれのネットページペンには、現在の選択８２６が関連付けられており、これにより、ユーザーは、コピー及び貼り付けオペレーションなどを実行できる。選択には、タイムスタンプが付けられており、これにより、システムは定められた期間を過ぎた後にその選択を破棄することができる。現在の選択では、ページインスタンスの一領域を記述する。これは、ページのバックグラウンド領域に関してペンを通じて取り込まれた一番最近のデジタルインクストロークからなる。これは、選択ハイパーリンクアクティブ化を介してアプリケーションにサブミットされた後にアプリケーション特有の方法で解釈される。
【０１２６】
それぞれのペンは、現在のペン先８２４を有する。これは、ペンによってシステムに最後に通知されたペン先である。上述のデフォルトのネットページペンの場合、マーキング用黒色インクペン先又はノンマーキングスタイラスペン先のいずれかが現在のペン先である。それぞれのペンは、さらに、現在のペン先スタイル８２５を有する。これは、例えば、ユーザーがパレットから色を選択したことに対する応答として、アプリケーションによってペンに最後に関連付けられたペン先スタイルである。デフォルトのペン先スタイルは、現在のペン先に関連付けられているペン先スタイルである。ペンを通じて取り込まれたストロークは、現在のペン先スタイルをタグ付けされる。ストロークは、その後再現される場合に、タグ付けに使用されたペン先スタイルで再現される。
【０１２７】
ペン１０１は、１つ又は複数のボタン２０９を有する場合があり、これらのボタンは、ペンのモードを選択するためにユーザーによって押される。ペンの挙動を決定するために（１つ又は複数の）ボタンが使用され、次いでペンの挙動はページサーバ１０によってストロークがどのように解釈されるかを決定する。
【０１２８】
ペンが、通信できるリレーデバイス６０１の範囲内にある限り、ペンは、「オンライン」ＬＥＤをゆっくり点滅させる。ペンがページに関してストロークを復号化することに失敗した場合、「エラー」ＬＥＤを一瞬点灯させる。ペンがページに関してストロークを復号化することに成功した場合、「ｏｋ」ＬＥＤを一瞬点灯させる。
【０１２９】
取り込まれたストロークのシーケンスが、デジタルインクと称される。デジタルインクは、手書きのオンライン認識及び署名のオンライン照合のための描画及び手書きのデジタル交換の基盤をなす。
【０１３０】
ペンは、無線通信を行い、短距離無線リンクを介してリレーデバイス６０１にデジタルインクを送信する。送信されたデジタルインクは、プライバシー及び機密保護のため暗号化され、効率よく伝送できるようにパケット化されるが、プリンタでタイミングよく処理できるようにペンアップイベント発生時に常にフラッシュされる。
【０１３１】
ペンは、リレーデバイス６０１の範囲外にある場合、これは、デジタルインクを、１０分を超える連続する手書きの容量を有する、内部メモリにバッファリングする。ペンがもう一度リレーデバイスの範囲内に入ったら、これはバッファリングされているデジタルインクを転送する。
【０１３２】
ペンを登録できるリレーデバイスの数に制限はないが、すべての状態データが紙とネットワークの両方のネットページ内に置かれるため、特定の時点においてペンがどのリレーデバイスと通信しているかは、概して重要でない。
【０１３３】
ペンの一実施形態は、図８から図１０を参照しつつ、以下の第７節でさらに詳しく説明される。
【０１３４】
６ ネットページのインタラクション
ネットページリレーデバイス６０１は、ネットページ１とのインタラクションのためにペンが使用される場合にペン１０１からのストロークに関係するデータを受け取る。タグ４の符号化データ３は、ストロークなどの移動を実行するために使用される場合にペンによって読み取られる。このデータによって、特定のページの識別を決定し、そのページに関するペンの位置決めの指示を得ることができる。ページＩＤ ５０及びペンの少なくとも１つの位置を含むインタラクションデータは、リレーデバイス６０１に送信され、そこで、ＤＮＳを介して、ストロークのページＩＤ ５０を、対応するページインスタンス８３０を保持するネットページページサーバ１０のネットワークアドレスに帰着させる。次いで、ストロークをページサーバに送信する。ページが前の方のストロークにおいて最近識別されていた場合、リレーデバイスは、すでに、キャッシュ内に関連するページサーバのアドレスを有している可能性がある。それぞれのネットページは、ネットページページサーバによって永続的に保持されるコンパクトページレイアウトからなる（以下を参照のこと）。ページレイアウトとは、典型的にはネットページネットワーク上の他の場所に格納されている、イメージ、フォント、テキスト断片などのオブジェクトのことである。
【０１３５】
ページサーバは、ペンからストロークを受け取ると、ストロークの適用先となるページ記述を取り出し、そのストロークが交差するページ記述の要素を決定する。そこで、関連する要素の型に関してストロークを解釈することができる。
【０１３６】
「クリック」とは、ペンダウン位置とその後のペンアップ位置との間の距離と時間が両方とも何らかの小さな最大値よりも小さいストロークのことである。クリックによってアクティブ化されるオブジェクトは、典型的には、クリックがアクティブ化されることを必要とし、したがって、長引いたストロークは無視される。「ぞんざいな」クリックなどペンアクションの登録失敗は、ペンの「ｏｋ」ＬＥＤからの応答がないことでわかる。
【０１３７】
ネットページページ記述には、ハイパーリンクとフォームフィールドの２種類の入力要素がある。フォームフィールドによる入力も、関連付けられているハイパーリンクのアクティブ化をトリガしうる。
【０１３８】
６．１ ハイパーリンク
ハイパーリンクは、メッセージをリモートアプリケーションに送信する一手段であり、典型的には、ネットページシステムにおける表示又は印刷による応答を引き出す。
【０１３９】
ハイパーリンク要素８４４は、ハイパーリンクのアクティブ化を取り扱うアプリケーション７１、アプリケーションへのハイパーリンクを識別するリンクＩＤ ５４、ユーザーのアプリケーションエイリアスＩＤ ６５をハイパーリンクアクティブ化に含めるようシステムに求める「エイリアス要求」フラグ、及びハイパーリンクがお気に入りとして記録されるか、又はユーザーの履歴に現れるときに使用される記述を識別する。ハイパーリンク要素クラスダイアグラムは、図１６に示されている。
【０１４０】
ハイパーリンクがアクティブ化されると、ページサーバは、ネットワーク上のどこかにあるアプリケーションに要求を送信する。アプリケーションは、アプリケーションＩＤ ６４によって識別され、アプリケーションＩＤは、ＤＮＳを介して通常の方法で帰着させられる。ハイパーリンクには、図１７に示されているように、一般ハイパーリンク８６３、フォームハイパーリンク８６５、及び選択ハイパーリンク８６４の３種類がある。一般ハイパーリンクは、リンクドキュメントの要求を実行するか、或いは単純に、サーバにプリファレンスを信号として送ることができる。フォームハイパーリンクは、対応するフォームをアプリケーションにサブミットする。選択ハイパーリンクは、現在の選択をアプリケーションにサブミットする。現在の選択に、単語テキスト断片が含まれる場合、例えば、アプリケーションは、その単語が出現する文脈内での単語の意味を示す単一ページのドキュメント、又は異なる言語への翻訳を返すことができる。それぞれのハイパーリンクの種類は、どのような情報がアプリケーションにサブミットされるかにより特徴付けられる。
【０１４１】
対応するハイパーリンクインスタンス８６２は、ハイパーリンクインスタンスが出現するページインスタンスに特有のものとすることができるトランザクションＩＤ ５５を記録する。トランザクションＩＤを使用すると、ユーザー特有のデータをアプリケーション、例えばユーザーの代わりに購入アプリケーションによって保持される購入保留中の「ショッピングカート」に対し識別することができる。
【０１４２】
システムは、ペンの現在の選択８２６を選択ハイパーリンクアクティブ化に含める。システムは、関連付けられているフォームインスタンス８６８のコンテンツをフォームハイパーリンクアクティブ化に含めるが、ハイパーリンクに「ｓｕｂｍｉｔ ｄｅｌｔａ」属性が設定されている場合には、最後のフォームサブミット以降の入力のみが含まれる。システムは、有効なリターンパスをすべてのハイパーリンクアクティブ化に含める。
【０１４３】
ハイパーリンク付きグループ８６６は、図１８に示されているように、関連付けられたハイパーリンクを有するグループ要素８３８である。入力が、グループ内のフィールド要素を通じて実行される場合、そのグループに関連付けられているハイパーリンク８４４がアクティブ化される。ハイパーリンク付きグループは、ハイパーリンクの挙動をチェックボックスなどのフィールドに関連付けるために使用されうる。また、連続する入力をアプリケーションに送るために、フォームハイパーリンクの「ｓｕｂｍｉｔ ｄｅｌｔａ」属性とともに使用されうる。したがって、これは、「黒板」インタラクションモデルをサポートするために、つまり、入力が取り込まれ、出現するとすぐに共有される場合に、使用されうる。
【０１４４】
６．２ ハイパーリンクアクティブ化プロトコル
ハイパーリンクアクティブ化プロトコルの好ましい一実施形態は、図４２に示されている。
【０１４５】
ユーザーが、ネットページペンでネットページをクリックすると、ペンは、そのクリックをインタラクションデータの形式で最も近い位置にあるネットページリレーデバイス６０１に伝達する。このクリックで、ページとそのページ上の配置が識別される。リレーデバイス６０１では、ペン接続プロトコルからペンのＩＤ ６１をすでに認識している。
【０１４６】
リレーデバイス６０１は、ＤＮＳを介して、特定のページＩＤ ５０を取り扱うページサーバ１０のネットワークアドレスを決定する。そのアドレスは、ユーザーが同じページとのインタラクションを最近行っていた場合にキャッシュ内にすでに入っている可能性がある。次いで、リレーデバイス６０１は、ペンＩＤ、その固有のデバイスＩＤ ６２、ページＩＤ及びクリック配置をページサーバに転送する。
【０１４７】
ページサーバは、ページＩＤによって識別されたページ記述５をロードし、クリックが、もしあればどの入力要素のゾーン５８内で行われているかを決定する。関連する入力要素が、ハイパーリンク要素８４４であると仮定した場合、ページサーバは、関連付けられているアプリケーションＩＤ ６４及びリンクＩＤ５４を取得し、ＤＮＳを介して、アプリケーション７１をホストするアプリケーションサーバのネットワークアドレスを決定する。
【０１４８】
ページサーバは、ペンＩＤ ６１を使用して、登録サーバ１１から対応するユーザーＩＤ ６０を取得し、次いで、大域的に一意的なハイパーリンクリクエストＩＤ ５２を割り当て、ハイパーリンクリクエスト９３４を構成する。ハイパーリンクリクエストクラスダイアグラムは、図２６に示されている。ハイパーリンクリクエストは、要求側のユーザー及びリレーデバイスのＩＤを記録し、クリックされたハイパーリンクインスタンス８６２を識別する。次いで、ページサーバは、それ固有のサーバＩＤ ５３、ハイパーリンクリクエストＩＤ、及びリンクＩＤをアプリケーションに送信する。
【０１４９】
アプリケーション側では、アプリケーション特有のロジックに従って応答ドキュメントを生成し、ＩＤサーバ１２からドキュメントＩＤ ５１を取得する。次いで、アプリケーションは、ドキュメントを、ドキュメントの新規に割り当てられたＩＤに関わるページサーバ１０ｂに、要求側ページサーバのＩＤ及びハイパーリンクリクエストＩＤと一緒に送信する。
【０１５０】
第２のページサーバは、ハイパーリンクリクエストＩＤ及びアプリケーションＩＤを第１のページサーバに送信して、対応するユーザーＩＤ及びデバイスＩＤ ６２を取得する。第１のページサーバは、そのハイパーリンクリクエストが失効しているか、又は異なるアプリケーションに対するものである場合にそのリクエストを拒絶する。
【０１５１】
第２のページサーバは、ドキュメントインスタンス及びページＩＤ ５０を割り当てて、新規に割り当てられたページＩＤをアプリケーションに返し、完全なドキュメントを自データベースに追加し、最後に、ページ記述を要求側リレーデバイスに送信する。
【０１５２】
ハイパーリンクインスタンスは、意味のあるトランザクションＩＤ ５５を含むことができ、この場合、第１のページサーバは、アプリケーションに送信されるメッセージ中にトランザクションＩＤを含める。これにより、アプリケーションは、ハイパーリンクアクティブ化のためトランザクション特有のコンテキストを確立することができる。
【０１５３】
ハイパーリンクが、ユーザーエイリアスを必要とする、つまり、その「ａｌｉａｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ」属性が設定された場合、第１のページサーバは、ペンＩＤ ６１とハイパーリンクのアプリケーションＩＤ ６４の両方を登録サーバ１１に送信し、ペンＩＤに対応するユーザーＩＤだけでなくアプリケーションＩＤとユーザーＩＤに対応するエイリアスＩＤ ６５も取得する。これは、アプリケーションに送信されるメッセージ中にエイリアスＩＤを含み、これにより、アプリケーションはハイパーリンクアクティブ化のためユーザー特有のコンテキストを確立することができる。
【０１５４】
６．３ フォーム
フォームは、印刷されたネットページを通じて関係する一組の入力を取り込むために使用される関連する入力フィールドの集合体を定めるものである。フォームにより、ユーザーは１つ又は複数のパラメータを、サーバ上で実行中のアプリケーションソフトウェアプログラムにサブミットすることができる。
【０１５５】
フォーム８６７は、ドキュメント階層内の一グループ要素８３８である。これは、最終的には一組の終端フィールド要素８３９を含む。フォームインスタンス８６８は、フォームの印刷インスタンスを表す。これは、フォームのフィールド要素８４５に対応する一組のフィールドインスタンス８７０からなる。それぞれのフィールドインスタンスは、関連付けられた値８７１を有し、その型は対応するフィールド要素の型に依存する。それぞれのフィールド値は、特定の印刷フォームインスタンスを通じて、つまり、１つ又は複数の印刷ネットページを通じて入力を記録する。フォームクラスダイアグラムは、図１９に示されている。
【０１５６】
それぞれのフォームインスタンスは、そのフォームがアクティブであるか、フリーズしているか、サブミットされたか、無効であるか、又は失効しているかを示すステータス８７２を有する。フォームは、最初に印刷されるときにはアクティブである。フォームは、いったん署名されるか、又はフリーズ時間に達すると、フリーズする。フォームは、その複数のサブミットハイパーリンクのうちの１つがアクティブ化された後、ハイパーリンクにその「ｓｕｂｍｉｔ ｄｅｌｔａ」属性が設定されていない限り、サブミットされる。フォームは、ユーザーがｖｏｉｄ ｆｏｒｍ、ｒｅｓｅｔ ｆｏｒｍ、又はｄｕｐｌｉｃａｔｅ ｆｏｒｍページコマンドを呼び出すと無効になる。フォームは、その指定された失効時間に達すると、つまり、フォームがアクティブである時間がフォームの指定寿命を超えた場合に、失効する。フォームがアクティブである場合、フォーム入力が許可される。アクティブでないフォームを介した入力は、代わりに、関連するページインスタンスのバックグラウンドフィールド８３３において取り込まれる。フォームがアクティブであるか、又はフリーズしている場合、フォームサブミットが許可される。フォームがアクティブ又はフリーズの状態でないときにフォームをサブミットしようとしても、拒絶され、代わりに、フォームステータスレポートを引き出す。
【０１５７】
それぞれのフォームインスタンスは、それから導出されるフォームインスタンスに関連付けられ（５９で）、バージョン履歴を提供する。これにより、特定の期間のフォームの最新バージョンを除くすべてを検索から除外することができる。
【０１５８】
入力はすべて、デジタルインクとして取り込まれる。デジタルインク８７３は、一組のタイムスタンプ付きストロークグループ８７４からなり、それぞれは一組のスタイル付きストローク８７５からなる。それぞれのストロークは、一組のタイムスタンプ付きペン位置８７６からなり、それぞれの位置はさらにペンの配向及びペン先の力を含む。デジタルインククラスダイアグラムは、図２０に示されている。
【０１５９】
フィールド要素８４５は、チェックボックスフィールド８７７、テキストフィールド８７８、描画フィールド８７９、又は署名フィールド８８０とすることができる。フィールド要素クラスダイアグラムは、図２１に示されている。フィールドのゾーン５８内に取り込まれるデジタルインクが、フィールドに割り当てられる。
【０１６０】
チェックボックスフィールドは、図２２に示されているように、関連付けられたブール値８８１を有する。チェックボックスフィールドのゾーン内に取り込まれたマーク（チェックマーク、十字形、ストローク、塗りつぶしジグザグなど）によって、真値がフィールドの値に割り当てられる。
【０１６１】
テキストフィールドは、図２３に示されているように、関連付けられたテキスト値８８２を有する。テキストフィールドのゾーン内に取り込まれたデジタルインクは、オンライン手書き認識により自動的にテキストに変換され、そのテキストがフィールドの値に割り当てられる。オンライン手書き認識は、よく理解されている（例えば、相互参照により本明細書に組み込まれているＴａｐｐｅｒｔ、Ｃ．、Ｃ．Ｙ．Ｓｕｅｎ並びにＴ．Ｗａｋａｈａｒａ、「Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｔ ｉｎ Ｏｎ−Ｌｉｎｅ Ｈａｎｄｗｒｉｔｉｎｇ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．８、１９９０年８月を参照のこと）。
【０１６２】
署名フィールドは、図２４に示されているように、関連付けられたデジタル署名値８８３を有する。署名フィールドのゾーン内に取り込まれたデジタルインクは、ペンの所有者の識別に関して自動的に照合され、フィールドが一部となっているフォームのコンテンツのデジタル署名が生成され、フィールドの値に割り当てられる。デジタル署名は、そのフォームを所有するアプリケーションに特有のペンユーザーの秘密署名鍵を使用して生成される。オンライン署名照合はよく理解されている（例えば、相互参照により本明細書に組み込まれているＰｌａｍｏｎｄｏｎ、Ｒ．及びＧ．Ｌｏｒｅｔｔｅ、「Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｗｒｉｔｅｒ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ − Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｔ」、Ｐａｔｔｅｒｎ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．２、１９８９年を参照のこと）。
【０１６３】
フィールド要素は、「ｈｉｄｄｅｎ」属性が設定されている場合に隠される。隠しフィールド要素は、ページ上に入力ゾーンを持たず、入力を受け付けない。これは、フィールドを含むフォームがサブミットされたときにフォームデータに含まれる関連付けられているフィールド値を持つことができる。
【０１６４】
削除を示す取り消し線などの「Ｅｄｉｔｉｎｇ」コマンドも、フォームフィールド内で認識可能である。
【０１６５】
手書き認識アルゴリズムは、「オフライン」（つまり、ペンマーキングのビットマップにのみアクセスできる）ではなく、「オンライン」（つまり、ペン移動の力学的プロセスにアクセスできる）で動作するので、改行なしでばらばらに書かれた文字を、書き込む人に依存する学習フェーズなしで比較的高い精度で認識できる。しかし、書き込む人に依存する手書きモデルは、時間の経過とともに自動的に生成され、必要ならば前もって生成されるようにできる。
【０１６６】
デジタルインクは、すでに述べたように、一連のストロークからなる。特定の要素のゾーン内で始まるストロークが、要素のデジタルインクストリームに付加され、解釈に備える。オブジェクトのデジタルインクストリームに付加されていないストロークは、バックグラウンドフィールドのデジタルインクストリームに付加される。
【０１６７】
バックグラウンドフィールド内に取り込まれたデジタルインクは、選択ジェスチャーとして解釈される。１つ又は複数のオブジェクトの周囲は、概して、外接オブジェクトの選択として解釈されるが、実際の解釈はアプリケーションによって異なる。
【０１６８】
表２は、ペンとネットページとのいくつかの典型的なインタラクションをまとめたものである。
【表２】
システムは、それぞれのペンに対する現在の選択を保持する。選択は、単純に、バックグラウンドフィールド内に取り込まれた一番最近のストロークからなる。選択は、必ず予測可能な挙動となるように不活動タイムアウトの後にクリアされる。
【０１６９】
すべてのフィールド内に取り込まれたローデジタルインクは、ネットページページサーバ上に保持され、適宜、フォームがアプリケーションにサブミットされるとフォームデータとともに送信される。これにより、アプリケーションは、手書きされたテキストの変換など、元の変換が疑わしい点がある場合にローデジタルインクの問い合わせを行うことができる。これは、例えば、いくつかのアプリケーション固有の一貫性チェックに通らないフォームに対するアプリケーションレベルの人間の介入を伴いうる。これの拡張として、フォームのバックグラウンド領域全体が、描画フィールドとして指定されうる。次いで、アプリケーションは、フォームの明示的フィールドの外にデジタルインクが存在するということに基づき、フォームを人間のオペレータに送ることを決定することができるが、ただし、ユーザーがこれらのフィールドの外で記入済みフィールドへの修正を示している可能性のあることを仮定する。
【０１７０】
図２５は、ネットページに相対的なペン入力の取り扱いプロセスの流れ図を示している。このプロセスは、ペンからストロークを（８８４で）受け取ることと、ストローク内のページＩＤ ５０が指しているページインスタンス８３０を（８８５で）識別することと、ページ記述５を（８８６で）取り出すことと、ストロークが交差するゾーン５８のフォーマット済み要素８３９を（８８７で）識別することと、フォーマット済み要素がフィールド要素に対応しているかどうかを（８８８で）判定し、もしそうならば、受け取ったストロークをフィールド値８７１のデジタルインクに（８９２で）付加し、フィールドの累積したデジタルインクを（８９３で）解釈し、フィールドがハイパーリンク付きグループ８６６の一部であるかどうかを（８９４で）判定し、もしそうならば、関連付けられているハイパーリンクを（８９５で）アクティブ化することと、それとは別に、フォーマット済み要素がハイパーリンク要素に対応しているかどうかを（８８９で）判定し、もしそうならば、対応するハイパーリンクを（８９５で）アクティブ化することと、それとは別に、入力フィールド又はハイパーリンクが存在しない場合に、受け取ったストロークをバックグラウンドフィールド８３３のデジタルインクに（８９０で）付加することと、受け取ったストロークを、登録サーバによって保持されているような、現在のペンの現在の選択８２６に（８９１で）コピーすることとからなる。
【０１７１】
図２５Ａは、図２５に示されているプロセスにおけるステップ８９３の詳細流れ図を示しており、フィールドの蓄積されたデジタルインクは、フィールドの種類に応じて解釈される。このプロセスは、フィールドがチェックボックスであるかどうかを（８９６で）判定し、またデジタルインクがチェックマークを表しているかどうかを（８９７で）判定し、もしそうならば、真値をフィールド値に（８９８で）割り当てることと、それとは別に、フィールドがテキストフィールドであるかどうかを（８９９で）判定し、もしそうならば、適切な登録サーバの助けを借りて、デジタルインクをコンピュータテキストに（９００で）変換し、変換されたコンピュータテキストをフィールド値に（９０１で）割り当てることと、それとは別に、フィールドが署名フィールドであるかどうかを（９０２で）判定し、もしそうならば、適切な登録サーバの助けを借りて、デジタルインクをペンの所有者の署名として（９０３で）照合し、これもまた登録サーバの助けを借り、対応するアプリケーションに関係するペン所有者の秘密署名鍵を使用して、対応するフォームのコンテンツのデジタル署名を（９０４で）作成し、デジタル署名をフィールド値に（９０５で）割り当てることとからなる。
【０１７２】
７ ネットページペン及びプリンタの説明
７．１ ペンの機構
図８及び図９を参照すると、一般的に参照番号１０１で示されているペンは、ペンコンポーネントを装着するための内部空間１０４を定める壁１０３を有するプラスチック成形物の形態のハウジング１０２を備えている。ハウジング１０２上にモードセレクターボタン２０９が備えられている。ペン頂部１０５は、ハウジング１０２の一端１０６に回転可能なように装着されて動作する。半透明カバー１０７は、ハウジング１０２の対向端１０８に固定される。カバー１０７はまた、成形プラスチック製であり、ハウジング１０２内に装着されたＬＥＤのステータスをユーザーが見られるようにするために半透明材料を使って形成されている。カバー１０７は、ハウジング１０２の端部１０８を実質的に囲んでいる主部１０９及び主部１０９から後ろへ突き出て、ハウジング１０２の壁１０３内に形成された対応する溝１１１内に嵌る突起部１１０を備える。無線アンテナ１１２は、ハウジング１０２内の突起部１１０の背後に装着される。カバー１０７上の開口１１３Ａを囲むネジ山１１３は、対応するネジ山１１５を含む形で金属末端部１１４を受け入れるように配置されている。金属末端部１１４は、インクカートリッジを交換できるように取り外し可能である。
【０１７３】
さらに、カバー１０７内には、フレックスＰＣＢ １１７上に３色ステータスＬＥＤ １１６が装着されている。アンテナ１１２も、フレックスＰＣＢ １１７上に装着されている。ステータスＬＥＤ １１６は、全方位にわたってよく見えるようにペン１０１の頂部に装着される。
【０１７４】
ペンは、通常のマーキングインクペン及びノンマーキングスタイラスの両方として動作しうる。ペン先１１９を伴うインクペンカートリッジ１１８及びスタイラス先端１２１を伴うスタイラス１２０が、ハウジング１０２内に並べて装着される。インクカートリッジペン先１１９又はスタイラスペン先１２１のいずれかが、ペン頂部１０５を回転させることにより、金属末端部１１４の開放端１２２を通して前方に出されうる。それぞれのスライダーブロック１２３及び１２４は、それぞれ、インクカートリッジ１１８及びスタイラス１２０に装着される。回転可能なカム筒１２５は、動作時にペン頂部１０５に固定され、それと一緒に回転するように配列される。カム筒１２５は、カム筒の壁１８１内に溝の形でカム１２６を備える。スライダーブロック１２３及び１２４から突き出ているカム従動子１２７及び１２８は、カム溝１２６内に収まる。カム筒１２５が回転すると、スライダーブロック１２３又は１２４は、互いに相対的に移動し、金属末端部１１４内の孔１２２を通してペン先１１９又はスタイラスペン先１２１を突き出す。ペン１０１は３つの動作状態を有する。頂部１０５を９０度ステップまで回すことにより、これら３つの状態は以下のようになる。
・スタイラス１２０のペン先１２１が出る。
・インクカートリッジ１１８のペン先１１９が出る。
・インクカートリッジ１１８のペン先１１９も、スタイラス１２０のペン先１２１も出ない。
【０１７５】
第２のフレックスＰＣＢ １２９は、ハウジング１０２内に収まっている電子回路シャシ１３０上に装着される。第２のフレックスＰＣＢ １２９は、表面上に投影する赤外線を送るための赤外線ＬＥＤ １３１を装着する。イメージセンサー１３２は、表面から反射した放射線を受け取るために第２のフレックスＰＣＢ １２９上に装着されるように構成されている。第２のフレックスＰＣＢ １２９は、さらに、ＲＦ送信機及びＲＦ受信機を備える無線周波数チップ１３３、並びにペン１０１の動作を制御するためのコントローラチップ１３４を装着する。光学系ブロック１３５（成型透明プラスチックで形成されている）は、カバー１０７内に配置され、赤外線ビームを表面上に投射し、イメージセンサー１３２上へのイメージを受け取る。電源線１３６は、第２のフレックスＰＣＢ １２９上のコンポーネントを、カム筒１２５内に取り付けられている電池接点１３７に接続する。端子１３８は、電池接点１３７とカム筒１２５に接続する。３ボルト充電式電池１３９が、カム筒１２５内に配置され、電池接点と接触する。誘導充電コイル１４０は、第２のフレックスＰＣＢ １２９の周りに装着されており、これで、誘導作用を介して電池１３９の充電を行うことができる。第２のフレックスＰＣＢ １２９は、さらに、スタイラス１２０又はインクカートリッジ１１８のいずれかが書くために使用されたときにカム筒１２５内の変位を検出するための力センサー１４３を装着し、ペン先１１９又はスタイラスペン先１２１によって表面に加えられる力を測定することができるようにしている。力センサー１４３の例示的な配置については、第８節でさらに詳しく説明される。
【０１７６】
ゴム製グリップパッド１４１及び１４２は、ペン１０１の握りを補助するためにハウジング１０２の端部１０８に向けて備えられており、頂部１０５は、さらに、ペン１０１をポケットに留めるためのクリップ１４２も備える。
【０１７７】
７．２ ペンコントローラ
ペン１０１は、赤外線スペクトルで、ペン先の近くにある表面の一領域を撮像することにより、ペン先（スタイラスペン先１２１又はインクカートリッジペン先１１９）の位置を決定するように配列されている。これは、最も近い位置にある配置タグから配置データを記録し、また光学系１３５及びコントローラチップ１３４を使用して配置タブからペン先１２１又は１１９の距離を計算するように配列される。コントローラチップ１３４は、ペンの配向及び撮像されたタグ上で観察される遠近歪みからのペン先−タグ間距離を計算する。
【０１７８】
ペン１０１は、ＲＦチップ１３３及びアンテナ１１２を使用して、デジタルインクデータ（機密保護のため暗号化され、効率よく伝送できるようにパッケージ化されている）をコンピューティングシステムに送信することができる。
【０１７９】
ペンがリレーデバイス６０１の範囲内にある場合、デジタルインクデータは、形成されるのと同時に送信される。ペン１０１が、範囲外に移動すると、デジタルインクデータは、ペン１０１内にバッファリングされ（ペン１０１の回路は、表面上の約１２分間のペンの動作に対するデジタルインクデータを格納するように配置されたバッファを備える）、後から送信できる。
【０１８０】
参照により本明細書に内容が組み込まれている出願人の米国特許第６，８７０，９６６号明細書では、交換可能なインクカートリッジペン先及びスタイラスペン先を有しているペン１０１について説明されていた。これにより、また図２７を参照すると、ペン１０１がコンピューティングシステムに接続すると、コントローラ１３４は、ペンＩＤ、ペン先ＩＤ １７５、現在の絶対時間１７６、及びオフラインになる前にシステムから最後に行われた取得の絶対時間をシステムに通知する。ペンＩＤを使用することで、コンピューティングシステムは、複数のペンがコンピューティングシステム内で動作しているときにペンを識別することができる。
【０１８１】
ペン先ＩＤを使用することにより、コンピューティングシステムはどのペン先（スタイラスペン先１２１又はインクカートリッジペン先１１９）が現在使用されているかを識別することができる。コンピューティングシステムは、どのペン先が使用されているかに応じてシステムのオペレーションを変えることができる。例えば、インクカートリッジペン先１１９が使用されている場合、表面に対しなされたインクマーキングによって即時フィードバックが返されるため、コンピューティングシステムはフィードバック出力の生成を遅らせることができる。スタイラスペン先１２１が使用されている場合、コンピューティングシステムは、即時フィードバック出力を生成することができる。
【０１８２】
ユーザーが前のストロークと次のストロークとの間でペン先１１９、１２１を変えることができるため、ペン１０１は、適宜、ストローク１７５についてペン先ＩＤを記録する。これは、後のストロークに暗黙のうちに関連付けられているペン先ＩＤとなる。
【０１８３】
特定のペン先特性を有するカートリッジは、ペン内で交換可能であってよい。ペンコントローラ１３４は、カートリッジのペン先ＩＤ １７５を取得するためにカートリッジに問い合わせを行うことができる。ペン先ＩＤ １７５は、ＲＯＭ又はカートリッジ上のバーコードに格納されうる。コントローラ１３４は、変更するときには必ずシステムにペン先ＩＤを通知する。これにより、システムは、ストローク１７５を発生するために使用されるペン先の特性を判定することができ、これにより、その後、ストロークそれ自体の特性を再現することができる。
【０１８４】
コントローラチップ１３４は、ペン１０１内の第２のフレックスＰＣＢ １２９上に装着される。図１０は、コントローラチップ１３４のアーキテクチャをより詳細に例示するブロック図である。図１０は、さらに、ＲＦチップ１３３、イメージセンサー１３２、３色ステータスＬＥＤ １１６、ＩＲ照明ＬＥＤ １３１、及び力センサー１４３の図である。
【０１８５】
ペンコントローラチップ１３４は、制御用プロセッサ１４５を備える。バス１４６は、コントローラチップ１３４のコンポーネント間のデータのやり取りを可能にする。フラッシュメモリ１４７及び５１２ＫＢ ＤＲＡＭ １４８も備える。アナログ／デジタルコンバータ１４９は、力センサー１４３からのアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されている。
【０１８６】
イメージセンサーインターフェース１５２は、イメージセンサー１３２とインターフェースをとる。トランシーバコントローラ１５３及びベースバンド回路１５４も、ＲＦ回路１５５並びにアンテナ１１２に接続されているＲＦ共振回路及びインダクタ１５６を備えるＲＦチップ１３３とインターフェースをとるように含まれている。
【０１８７】
制御用プロセッサ１４５は、イメージセンサー１３２を介して表面からタグからの配置データを取り込んで復号化し、力センサー１４３を監視し、ＬＥＤ １１６及び１３１を制御し、無線トランシーバ１５３を介して短距離無線通信を処理する。これは、中程度の性能（約４０ＭＨｚ）の汎用ＲＩＳＣプロセッサである。
【０１８８】
プロセッサ１４５、デジタルトランシーバコンポーネント（トランシーバコントローラ１５３及びベースバンド回路１５４）、イメージセンサーインターフェース１５２、フラッシュメモリ１４７、及び５１２ＫＢ ＤＲＡＭ １４８は、単一コントローラＡＳＩＣとして集積化されている。アナログＲＦコンポーネント（ＲＦ回路１５５並びにＲＦ共振回路及びインダクタ１５６）は、別のＲＦチップ内に用意される。
【０１８９】
イメージセンサーは、ＩＲフィルタを備える２１５×２１５ピクセルのＣＣＤ（このようなセンサーは、Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製であり、参照により本明細書に組み込まれているＩｔａｋｕｒａ、Ｋ Ｔ Ｎｏｂｕｓａｄａ、Ｎ Ｏｋｕｓｅｎｙａ、Ｒ Ｎａｇａｙｏｓｈｉ、及びＭ Ｏｚａｋｉの論文「Ａ １ｍｍ ５０ｋ−Ｐｉｘｅｌ ＩＴ ＣＣＤ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｃａｍｅｒａ Ｓｙｓｔｅｍ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｖｏｌ．４７、Ｎｏ．１、２０００年１月において説明されている）である。
【０１９０】
コントローラＡＳＩＣ １３４は、ペン１０１が表面と接触していないときに一定の不活動期間の後に静止状態に入る。これは、力センサー１４３を監視する専用回路１５０を組み込んでおり、ペンダウンイベントが発生するとパワーマネージャ１５１を介してコントローラ１３４を目覚めさせる。
【０１９１】
無線トランシーバは、コードレスホンによって通常使用される免許不要の９００ＭＨｚ帯で、又はそれとは別に免許不要の２．４ＧＨｚ工業科学医療（ＩＳＭ）帯で通信し、周波数ホッピング及び衝突検出を用いて、干渉のない通信を可能にする。
【０１９２】
代替えの一実施形態では、ペンは、基地局又はネットページプリンタとの短距離通信用のＩｒＤＡ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄａｔａ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ（赤外線通信協会））インターフェースを組み込んでいる。
【０１９３】
他の実施形態では、ペン１０１は、ペン１０１の軸の法平面内に取り付けられている一対の直交加速度計を備える。加速度計１９０は、図９及び１０に点線の輪郭で示されている。
【０１９４】
加速度計を備えることにより、ペン１０１のこの実施形態は、表面配置タグを参照せずに運動を感知することができ、これにより、低いレートで配置タグをサンプリングすることができる。次いで、それぞれの配置タグＩＤは、表面上の位置ではなく、注目するオブジェクトを識別することができる。例えば、オブジェクトがユーザーインターフェース入力要素（例えば、コマンドボタン）である場合、入力要素の領域内にあるそれぞれの配置タグのタグＩＤで、入力要素を直接識別することができる。
【０１９５】
ｘ及びｙ方向のそれぞれにおいて加速度計によって測定される加速度は、瞬間速度及び位置を出力するために時間に関して積分される。
【０１９６】
ストロークの開始位置は、知られていないため、ストローク内の相対的位置のみが計算される。位置積分により感知された加速度の誤差が累積するけれども、加速度計は、典型的には高分解能であり、誤差が累積するストロークの持続時間は短い。
【０１９７】
８ 力センサー
ペンのペン先に接続するのに適している力センサーは、図２８に例示されているように、１つの固定された板と少なくとも１つのバネに取り付けられている１つの移動可能な板とを有する平行板キャパシタである。外力がバネを圧縮し、これらの板の間の距離を変化させ、したがって静電容量を変化させる。静電容量の変化を測定することにより、外力の量を知ることができる。
【０１９８】
図２８では、板の分離距離をバランスよく変えるのを補助するために、２つのバネが示されているが、１つのバネ又は２つよりも多いバネを使用することもできる。さらに、図２８では、単にわかりやすくするために、バネは固定された板と移動可能な板との間に配置されているように示されており、（１つ又は複数の）バネは、これらの板に関して外部配置されうる。さらに、当業者であれば、他の平行キャパシタ配列、つまり他の機械的配列も、力センサーに利用できることを理解するであろう。また、当業者であれば、この例示的な力センサーをネットページシステム以外の状況及び環境に応用できることを理解するであろう。
【０１９９】
図２８のこのような平行板キャパシタの可変静電容量は、
【数１】
により近似できるが、ただし、式中、Ｋ１は、与えられたセンサーに対する定数であり、ｄは、板の間の距離である。距離ｄは、バネへの外力ｆによって制御され、一配列では、圧縮し、外力に比例して距離ｄを縮めるバネに加えられる力を測定する。次いで、
【数２】
であるが、ただし、式中、Ｋ２は、外力なしの場合の板の間の初期距離であり、Ｋ３は、バネ定数に関係する。次いで、
【数３】
となる。
【０２００】
静電容量Ｃｓｅｎを測定し、それにより、外力ｆを決定する一方法では、デルタ／シグマ変調装置又はコンバータなどの容量センサー回路を使用する。従来のデルタ／シグマコンバータは、図２９に例示されており、本発明の一実施形態によるデルタ／シグマ変調装置の第１の実施例は、図３０に例示されている。両方の事例は、簡素化された形式で示されている、つまり、スイッチドキャパシタ回路のスイッチは、示されていない。これは、さらに、以下で説明されている他の回路図についても同様である。
【０２０１】
図２９の回路では、励起信号Ｖｅｘが平行板キャパシタＣｓｅｎに印加され、信号ｂｓは、平均値Ｖｏｕｔがコンバータの出力を表すビットストリームである。デシメーションフィルタは、単一（又は多）ビット信号ｂｓをコンバータの出力である多ビットデジタル信号に変換するために使用される。
【０２０２】
回路が平衡状態（つまり、Ｃｓｅｎ＝０）である場合、デルタ／シグマコンバータは、そのビットストリームのデューティサイクルを５０：５０となるように調節する。積分器ｉｎｔの利得は、出力を直線的範囲に残せるフィードバックキャパシタＣｆにより制御される。キャパシタＣｓｅｎの静電容量変化に対する感度は、基準キャパシタＣｒｅｆによって制御される。コンパレータの方形波励起信号Ｖｅｘ及び出力Ｖｏｕｔが同じ電圧振幅を有する場合、変換利得は、振幅と無関係になる。次いで、コンバータ出力は、
【数４】
として表すことができ、ただし、式中、Ｋｄｉｇは、出力のところにあるデシメーションフィルタの利得である。そこで、
【数５】
となるが、ただし、式中、Ｋ４＝Ｋ２Ｋ３及びＫ５＝Ｋ１Ｋ３Ｋｄｉｇ／Ｃｒｅｆである。
【０２０３】
次いで、Ｖｄｉｇからの測定された力ｆｍｅａｓの計算は、除算と減算を必要とする。
【０２０４】
本発明の実施形態では、この計算は、図３０に例示されているように、平行板キャパシタＣｓｅｎをデルタ／シグマコンバータのフィードバック経路内に置くことにより回避される。特に、平行板キャパシタＣｓｅｎ及び基準キャパシタＣｒｅｆの位置は、キャパシタＣｓｅｎの板のうちの１つは、コンバータの出力に直接接続され、基準キャパシタＣｒｅｆは、コンバータの入力のところに置かれるように、従来のコンバータ回路における位置から逆にされている。
【０２０５】
次に、Ｖｄｉｇを単極信号として生成するコンバータの出力のところにデシメーションフィルタを使用することで、ビットストリームを反転することができ、
【数６】
となるように減算を行うと、
（式７） ｆｍｅａｓ＝Ｋ６Ｖｄｉｇ
となるが、ただし、式中、
【数７】
である。
【０２０６】
ｆ＝０のときに成り立つＣｒｅｆ＝Ｃｓｅｎｍｉｎの場合、
【数８】
となる。
【０２０７】
式４及び６からわかるように、従来のコンバータ構成では、Ｃに比例する出力を発生するが、本発明の構成では、距離に比例する１／Ｃに比例する出力を発生する。したがって、本発明の構成では、従来の構成に比べて小さな距離変化に対してより大きな静電容量変化を測定することができる。その結果、本発明の力センサーは、必要な電力を最小限に抑えつつ感知デバイスのペン先に加わる手書きの力などの比較的軽い力を正確に感知することができる。
【０２０８】
比較例の結果は、図３１及び３３に示されている。この実施例では、両方の種類のコンバータが同じ力及び出力符号範囲を取り扱うように利得が調整されている１０ビットコンバータが使用される。図３１は、Ｃに比例するコンバータについて非線形出力符号対外力の関係を示しており、図３２は、Ｃに比例するコンバータについて量子化による誤差が力の減少とともに増大するが、誤差は１／Ｃコンバータについては一定していることを示している。つまり、Ｃに比例する構成では、（ネットページペンアプリケーションでは精度に関して最も重要なものである）範囲の力の低い側で分解能が失われる。
【０２０９】
本発明の上述の構成は、１次のシグマ／デルタ容量センサーである。しかし、高次のセンサーも可能であり、本発明の範囲内にある。例えば、可能な２次シグマ／デルタ容量センサーは、図３３に示されている。
【０２１０】
２次センサーでは、図３３に例示されているようなキャパシタＣｃａｎの追加を通じて力のゼロ調整を使用し、これにより、キャパシタＣｓｅｎ上の寄生容量を相殺できる。この構成では、１次構成に比べて最適化できるパラメータが増えている。入力信号に対するコンバータのローパス応答は、より明瞭になり、カットオフ周波数は、ペン先を上げたときに、Ｃｓｅｎに比例し、つまりＣｓｅｎの最小値をとり、コンバータが大半のフィルタ処理を行う。
【０２１１】
１次（又は２次）構成のさらなる改善については、図３４及び３５に関して説明されている。従来の回路は、図３４に例示されており、そこでは相関二重サンプリング（ＣＤＳ）がオフセットの低減のため適用されている。Ｃｓｅｎが増大してゆくと、従来のデータ／シグマコンバータは、信号ｂｓで５０％のデューティサイクルを有する平衡状態に達する。したがって、変換範囲の半分（０％から５０％）しか利用可能でない。
【０２１２】
他方で、図３５に例示されている本発明の他の構成では、ＣＤＳが再び適用されるが、キャパシタＣｓｅｎの信号ｂｓは、０（ゼロ）で置き換えられ、コンバータの平衡状態を１００％デューティサイクルに変える。したがって、変換範囲全体が利用可能になる。
【０２１３】
特に、キャパシタＣｒｅｆは、Ｃｓｅｎが最小予測値にあるときにシグマ／デルタコンバータが飽和に近くなるように調整されなければならないオフセットを設定するために使用される。キャパシタＣｓｅｎでゼロ入力信号とともに積分器ｉｎｔでＣＤＳが使用される場合、キャパシタＣｓｅｎに印加されるビットストリームは、コンバータの実質的に全範囲を使用できるように変更される。
【０２１４】
ＣＤＳは、図３６に示されているように、サンプリングと評価の２つのフェーズで動作し、積分器ｉｎｔへの入力（キャパシタＣｓｅｎを通じて）は、Ｖｉｎｔ＝Ｖｅｖａｌ−Ｖｓａｍｐである。信号ｂｓが値０及び１をとることができること、並びに回路の平均Ｖｉｎｔ＝０が平衡することが仮定される。Ｖｉｎｔは、図３４の従来の回路については表３、図３５のオフセット回路については表４において計算される。
【表３】
したがって、平衡に関して、信号ｂｓは、平均Ｖｉｎｔ＝０を維持するためにデューティサイクル５０％を必要とする。
【表４】
したがって、平衡に関して、平均Ｖｉｎｔ＝０を維持するために信号ｂｓ＝１（時間の１００％）である。
【０２１５】
８．１ 挙動モデリング
ネットページシステムの力センサーのいくつかの要件を以下に示す。
・ペンダウン遅延時間＜１．５ｍｓ
・最終サンプリングレート５０Ｈｚから１５０Ｈｚ
・１０ビットを単調に出力する
・消費電力＜１００ｕＷ（５５ｕＡ＠１．８Ｖ）
・動作温度範囲−１０℃から５５℃
・６グラムでペンダウン検出
・精度＜２０％
これらの要件を考慮して、ＶＨＤＬモデリングが実行された。
【０２１６】
８．１．１ １次のＶＨＤＬ
１次シグマ／デルタ容量センサーについて書かれたＶＨＤＬモデルでは、本発明の、距離に比例する（１／Ｃ）構成を調べる。
【０２１７】
テストベンチでは、ｄを５距離単位で直線的に段階的に増分して、式１を計算した（最初の値を除き、０ではなく０．５とした）。このシミュレーションの結果、Ｃｆ＝８ｐＦ及びＣｒｅｆ＝０．４９ｐＦとしてＣｓｅｎに応じて一組の直線的ステップが得られた。積分器ｉｎｔの出力の振幅は、キャパシタＣｓｅｎによって制御され、Ｃｓｅｎ＝２０ｐＦのときに飽和する。
【０２１８】
出力電圧は、Ｃｒｅｆ／Ｃｓｅｎ（例えば、０．０８ｐＦ／０．１ｐＦ＝０．８Ｖ）で与えられる。この構成では、オフセットを設定することしかできない（フィードバックキャパシタＣｆは積分器利得を制御するだけである）。利得は、キャパシタＣｓｅｎと平行に他のキャパシタを接続することにより低減されうるが、これにより、非線形性が持ち込まれる。
【０２１９】
フィードバックキャパシタＣｆにより、積分器のダイナミックレンジを最適化することができる。クリッピングが許容される場合に積分器が適切に機能すると、クリッピングがＣｓｅｎの最大値で生じるようにＣｆに対する最小値を使用すべきである。
【０２２０】
モードを制御する選択ビットで、両方の構成を実装することも可能である。機械的公差があるため、実用的なセンサーは、オフセットと利得を設定するために２点較正を必要とする。
【０２２１】
８．１．２ ２次のＶＨＤＬ
すでに説明されているように、図３３の２次構成では、１次設計に比べて最適化できるパラメータが増えている。
【０２２２】
積分器ｉｎｔ１の出力のｄｃレベルは、比Ｃｂｓ２／Ｃｉｎ２によって制御できる。これにより、クリッピングなしでできる限り高くなければならない積分器ｉｎｔ１の利得の設定に自由度をある程度持たせることができる。ペンアップではクリッピングが生じないことが重要であり、さもなければ、ペンダウン閾値のマージンが減少する。Ｃｉｎ１は、コンバータがクリッピングなしで変換範囲の下限に近くなるように設定される。ビットストリームにおけるデューティサイクルが低すぎると、結果として、積分器ｉｎｔ２に非常に大きな偏移が生じる。常にＡＤＣの範囲内に留まることを保証するためにセンサーのゼロ力静電容量の長期間ドリフトに関してある程度の斟酌が必要である。
【０２２３】
このモデルでは、センサーは、キャパシタＣｓｅｎの板距離が５０ｕｍから１５０ｕｍの範囲内にある場合に３：１の静電容量変化を生じると仮定される。５０ｕｍでの静電容量は、１ｐＦであった。次いで、静電容量（ｐＦ単位）は、ｄ（ｕｍ）を板距離として、
【数９】
で与えられる。ｄの値は、
【数１０】
で与えられる。次いで、
【数１１】
となる。
【０２２４】
Ｃｃａｎの値は、センサー上の寄生容量を相殺するように調整される。Ｃｃａｎの量子化による残っている誤差が、結果として利得誤差となる。他方、必要な利得精度は、＜２０％である。Ｃｃａｎの分解能が、１００ｆＦであり、残っているオフセットがＣｉｎｔ１で除外された場合、コンバータは、５００ｇではなく４５５ｇを読み取る、つまり−９％の利得誤差（ソフトウェアで補正可能）となるであろう。
【０２２５】
３つのデシメータを試したが、通常は、ステップ応答が整定に約３サンプルを要する最適なノイズフィルタリングが行われるように、３次デシメータを２次コンバータとともに使用すべきである。＜２ｍｓのペンダウン検出時間要件を満たすために、出力サンプルは、１．５ｋＨｚに設定された。４２のデシメーション係数は、６４ｋＨｚの入力サンプリングクロックで使用された。１次デシメータでは、このデシメーション係数で、必要な１０ビットの分解能は得られない。２次デシメータでは、１０．８ビットの分解能が得られ、平均すると、１．３３ｍｓで１サンプル分早くペンダウンを検出することが可能であるが、確度は落ちる。
【０２２６】
この実装では、ＣＤＳを使用して、ＯＴＡオフセットを相殺し、最も重要なのは積分器ｉｎｔ１のものである。ＣＤＳは、さらに、キャパシタＣｓｅｎ及びキャパシタＣｉｎ１に由来する１／ｆノイズも減衰させるべきである。しかし、チョッピングされたＣＤＳ信号を渡さなければならないので、積分器１の入力にアンチエイリアスフィルタを加えた場合に問題が生じる。３つの正規化されたカットオフであっても、ＡＤＣ利得は約５％減少する。さらに、入力における不要信号は、サンプリング周波数の高調波で生じた場合にｄｃにエイリアスされる。これは、ふつうと違うスイッチドキャパシタ回路であるが、それは、スイッチドキャパシタの１つが外部にあり、アンチエイリアスフィルタがスイッチドキャパシタ回路の内部にしか配置されえないためである。非ＣＤＳ実装についても同じことが言え、アンチエイリアスフィルタによって、積分器入力電流を１／２クロックサイクル以内に整定させなければならない。したがって、このフィルタの機能は、サンプリング周波数よりも十分に高いｒｆ信号を減衰させることのみとしてよい。ナイキスト周波数のすぐ上の信号を減衰させるためには使用できない。
【０２２７】
８．１．３ デジタル出力の計算
この節では、ＣＤＣ出力符号を計算する式の解析表示を与える。
【０２２８】
８．１．３．１ デシメータ利得
コンバータの両方のモードについて同じである、デシメータ利得は、
【数１２】
で与えられるが、ただし、式中、ｄｅｃ＝デシメーション係数、ｎ＝デシメータの次数、ｓｃａｌｅ＝デシメータ出力における倍率であり、２の累乗でなければならない。デジタル出力は、１０ビットであり、ｓｃａｌｅは、有用なデータをこれらの１０ビット内に収めるように調整されなければならない（又は、これが許容可能な場合に何らかのクリッピングを行えるようにする）。典型的には、シグマ／デルタＣＤＣは、デシメータ出力がフルスケールに達しないように内部クリッピングを回避するためにフルスケールの１０％から９０％までの範囲内でのみ動作すべきである。
【０２２９】
例えば、Ｆｉｎ＝６４ｋＨｚ及びＦｏｕｔ＝１．５ｋＨｚ、ｄｅｃ＝４２及びｎ＝３とする。これにより、最大出力４２３＝７４０８８が得られるが、最大許容可能出力符号は、１０２３である。倍率＝１２８の場合、最大出力は、５７９となるが、＜１０２３である。しかし、最大アナログ信号範囲が、フルスケールの最大８０％までであると仮定すると、倍率は、６４に設定することができ、７４０８８＊０．８／６４＝９２６＜１０２４（範囲）となり、デジタル範囲を使用しやすくなる。この場合、Ｋｄｉｇ＝７４０８８／６４＝１１５７．６２５である。
【０２３０】
ＣＤＣ範囲を出力範囲の中心に置くために、デジタルオフセットが行われ、したがって、使用されないＣＤＣ範囲の下側１０％は、除去されうる。
【０２３１】
８．１．３．２ Ｃに比例
２次に対して、
【数１３】
が適用される。
【０２３２】
Ｃｉｎ１は、変換利得を設定し、Ｃｃａｎは、Ｃｓｅｎの範囲を利用可能な変換範囲内の中心に置くことができる。Ｖｄｉｇは、スケーリングされオフセットされたセンサー容量を表す。外側括弧内の項は、０．１から０．９までの範囲内になければならない。
【０２３３】
力は、式１２から
【数１４】
として計算され、力に関するＣｓｅｎは、
【数１５】
によって与えられる。
【０２３４】
式１４でＣｓｅｎを置き換え、オフセットがないと仮定し、Ｋ１＝Ｋ５及びＫ２＝Ｋ４Ｋｄｉｇ／Ｃｉｎ１とすると、
【数１６】
となる。
【０２３５】
８．１．３．３ １／Ｃに比例
２次に対して、
【数１７】
が適用される。
【０２３６】
外側括弧内の項は、０．１から０．９までの範囲内になければならない。力は、（オフセットがないものと仮定して）
（式１９） ｆ＝Ｋ３Ｖｄｉｇ
から計算される。
【０２３７】
Ｋ３は、
【数１８】
によって与えられるＣＤＣの勾配であり、ｆｍｉｎ（０ｇ）は最小の力、ｆｍａｘ（５００ｇ）は最大の力である。
【０２３８】
式１７において式１６からのＣｓｅｎを置き換え、式２０中のＶｄｉｇを置き換えると、
【数１９】
が得られる。
【０２３９】
例えば、Ｃｉｎ１＝Ｃｓｅｎｓｍｉｎ＝１／３ｐｆと仮定すると、Ｋ３＝２５０×６４×３／７４０８８＝０．６４７８８である。実際には、ＣＤＣがクリップしないように、Ｃｉｎ１＜Ｃｓｅｎｓｍｉｎであることに留意されたい。
【０２４０】
Ｃｉｎ１の値に誤差があるため、結果として、ＣＤＣ出力にオフセット誤差と利得誤差の両方が現れる。式１２を修正して、Ｃｉｎ１の値の誤差ｅを許すと、
【数２０】
が得られる。
【０２４１】
次いで、近似式
【数２１】
を使用すると
【数２２】
となり、勾配誤差は、
【数２３】
によって与えられるか、又は
【数２４】
のようにパーセント誤差として表される。
【０２４２】
ｅ＝１ｆＦならば、利得誤差は、Ｃｉｎ１＝１／３ｐＦに対して０．３％である。
【０２４３】
８．１．４ ＭＡＴＬＡＢ
図３７及び３８にプロットされているグラフは、第８．１．３節の式から導き出されたもので、指定されたキャパシタ値誤差による測定された力誤差を示している。
【０２４４】
シミュレーションでは、利得とオフセットに対し２点較正を仮定し、その後、２ｆＦのステップで最大＋１０ｐＦまでの誤差がＣｉｎ１に追加される。
【０２４５】
８．１．５ ノイズ分析
ペン先は、１００ｕまで移動することが許されており、したがって、５０ｕから１５０ｕまでの範囲が実用的である。センサー静電容量は、０．３３３ｐＦから１ｐＦまでの範囲内にあると予想される。次いで、Ｃｒｅｆ＝０．３３３ｐＦとすると、出力は、１Ｖから０．３３３Ｖまでの範囲内となる（全範囲の変更形態では−０．３４Ｖ）。フルスケールに到達できないことによるＳ／Ｎ損失は、２０＊ｌｏｇ（２／３）＝３．５ｄＢにすぎない。
【０２４６】
ＡＤＣの増分利得は、Ｃｓｅｎ＝０．３３３ｐＦのときに−３Ｖ／ｐｆ、Ｃｓｅｎ＝１ｐＦのときに−１Ｖ／ｐｆである。
【０２４７】
主ノイズ源は、センサーキャパシタであり、ｒｍｓノイズ電圧は、
【数２５】
で与えられるが、ただし、式中、ｋ＝１．３８×１０−２３、Ｔ＝３００、Ｃｓｅｎ＝０．３３３ｐＦであり、したがってＶｎ＝１１７ｕＶｒｍｓである。
【０２４８】
このノイズすべてが、シグマ／デルタコンバータのパスバンドに折り込まれると仮定すると、デシメーションフィルタによって一定割合のノイズが除去される。このノイズは、入力のところに存在するので、ノイズ整形は行われず、またフィルタ出力における信号対雑音比の改善は、ＯＳＲをオーバーサンプリング比として、１０ｌｏｇ（ＯＳＲ）によって与えられる。クロック周波数が６４ｋＨｚ、出力サンプルレートが１．３ｋＨｚの場合、ＯＳＲ＝４９．２３とすると、１６．９２ｄＢの改善となる。
【０２４９】
Ｃｓｅｎから出力へのコンバータの電圧利得は、挙動モデルにおいてチェックされた。Ｃｓｅｎ＝０．３３３ｐＦについては、利得は０．５である（フルスケール＝０から＋１Ｖの場合）。したがって、キャパシタによって発生するノイズは、出力では６ｄＢ低減される。しかし、Ｃｒｅｆは、さらに０．３３３ｐＦであるので等しい量のノイズをもたらし、出力のところでノイズを３ｄＢだけ増やす。例示的なコンバータは、低周波キャパシタノイズを低減するＣＤＳを実装することに留意されたい。
【０２５０】
プレデシメーションフィルタ出力ノイズは、Ｃｓｅｎ＝０．３３３ｐＦ＝１１７ｕＶ／２＝５８．５ｕＶｒｍｓ、出力信号＝１Ｖの場合である。Ｃｓｅｎ＝１ｐＦ＝０．３３３Ｖで出力する。Ｓ／Ｎ＝２０ｌｏｇ（（１−０．３３３）／５８．５ｕＶ）＝８１．１ｄＢである。デシメーションフィルタの後、Ｓ／Ｎ＝８１．１＋１６．９２＝９８ｄＢ又は１６．３ＥＮＯＢである。コンバータ出力は、ペンダウンを検出するために閾値化される必要があり、ピークノイズを考慮することが適している。ノイズのｐｋ対ｒｍｓ比を１３ｄＢと仮定すると、コンバータの分解能は、１４．２ＥＮＯＢまで下がることになる。
【０２５１】
Ｃｓｅｎ＝０．３３３ｐＦの場合、全体的なＳ／Ｎは、シグマ／デルタコンバータのＯＳＲによって、ｋＴ／Ｃノイズではなく約７０ｄＢ（１１．６ＥＮＯＢ）に制限されることに留意されたい。
【０２５２】
８．２ 設計基準
回路シミュレーションは、容量性インターフェースを実装するための基準のいくつかを示している。
【０２５３】
８．２．１ 入力インピーダンス
センサーに接続されているステージは、このノードでグラウンドへの寄生容量の効果を解消することができなければならない。入力抵抗は、１／ｇｍで与えられ、Ｃｐａｒ／ｇｍの時定数を持つＲＣフィルタを形成する。この時定数は、積分器の整定時間に支配的であり、第１のステージの最小ｇｍ要件を決定するために使用されうる。電圧ステップ応答は、
【数２６】
によって与えられる。すると、
（式２９） ｇｍｍｉｎ＝−２ＣｐａｒＦｓｌｎ（１−Ｖ）
となる。
【０２５４】
Ｃ＝５０ｐＦ及びＦｓ＝６４ｋＨｚの場合の１％の最終誤差について、ｇｍｍｉｎ＝２９ｕＭｈｏとなる。第１ステージの消費電力は、サンプリングレート及びＣｐａｒに比例することに留意されたい。
【０２５５】
センサーを第１の積分器に接続することが可能であるけれども、寄生容量に打ち勝つために低入力インピーダンスにする要件では、第１の積分器中に大電流を必要とする。バッファ及びシグマ／デルタコンバータを独立に最適化できる緩衝増幅器を使用するのはかなりよいことである。第１の積分器の電流は、実質的に低減され、全体的な消費電力は、バッファを追加することにより低減されうる。
【０２５６】
グラウンドへの寄生容量が存在する場合、バッファのｇｍによって回路の整定時間が実質的に制御され、開ループ電圧利得によって精度が決まる。ｇｍとＲｏとの間には何らかのトレードオフがありえ、同じ低周波Ａｖを維持する。よいターゲットは、Ａｖ＝８０ｄＢとなるようにｇｍ＝１００ｕＭｈｏ及びＲｏ＝１００ＭΩである。
【０２５７】
利得増大折り返しカスコードでは、４．３ｕのテール電流で動作する場合に（１ｕＡが基準回路に入る）ｇｍ＝５５ｕＭｈｏ及びＲｏ＝１４０Ｍとし、Ａｖ＝７８ｄＢを得る。センサーからの入力はシングルエンドであるため、電力を節約するシングルエンド出力ＯＴＡのみが必要である。次いで、非反転入力がｖｃｍに直結され、これにより、入力インピーダンスが最低となることを保証できる。
【０２５８】
８．２．２ ＩＮＮからＶＣＭへの接続
第１の積分器が、容量センサーと直接インターフェースするために使用される場合、未使用の差動入力をコモンモード電圧ｖｃｍに直接接続して、仮想アース加算ノードでの抵抗を最低にすることが望ましい。しかし、ＯＴＡにおけるオフセットのため、この接続は、サンプリングフェーズで格納され、評価フェーズで相殺されるように、キャパシタとなされなければならない。
【０２５９】
８．２．３ ＣＡＰＤＡＣユニットキャパシタ
２０ｆＦでは小さすぎる場合がある。慎重なレイアウト及び良好な抽出を必要とする。
【０２６０】
８．２．４ マルチプレクサ
マルチプレクサによっては、積分器の加算点に直接接続されるものもある。この場合、ボディソースダイオード及びサブスレッショルド電流による漏れは、最小限度に抑えられなければならない。十分な絶縁を得るために、ｃａｐｄａｃと変調装置入力マルチプレクサの両方にＴ字型スイッチが使用されうる。
【０２６１】
Ｔ字型スイッチが使用される場合、Ｔ字型スイッチの中点は、ｖｃｍにバイアスされなければならず、給電側の１つにバイアスされてはならない。これにより、サブスレッショルド電流は、マルチプレクサの出力ノードがｖｃｍでないときにのみ流れることが保証される。積分器加算点は、ｖｃｍでバイアスされ、これにより、サブスレッショルド漏れ電流が最小になる。
【０２６２】
励起信号を供給するフロントエンドマルチプレクサは、深さが３レベルであり、よりロジック度の高い１レベルの多重化で置き換えることが可能である。
【０２６３】
８．２．５ センサーノードの漏れ電流
センサーノードへのＤＣ漏れ電流は、回路の精度を落とす。アナログ入力パッドは、最大のソースになると予想される。１ｎＡの漏れ電流の場合、積分器１ステップ当たりの誤差はｌｎＡ＊１５．６２５ｕｓ／３ｐＦ＝５．２ｍＶとなる。両方のモードにおいて、この電流により、結果として、ペンアップの力誤差は２０ｇとなる。これは、励起信号及び変調装置入力をチョッピングすることにより解決できる。チョッピング信号は、デシメーションフィルタの出力期間内に偶数個のサイクルを含んでいなければならない。この漏れ電流が変換範囲の一部を使い切るので、コンバータがその動作範囲内に収まっていることを保証されなければならない。コンバータが飽和（これはペンアップ時に発生する可能性が最も高い）しないことを前提として、シグマ／デルタ変調装置内のフィードバックにより、範囲損失が最小限に抑えられる。
【０２６４】
パッド漏れ電流は、最大５０ｎＡまでであると予想されうる。ＮＭＯＳ保護デバイスとＰＭＯＳ保護デバイスの両方を使用し、漏れ電流のすべてがコンバータに流れ込むことのないようにする必要がある。
【０２６５】
図３９は、１サイクルおきに得られる補正された結果による５０ｎＡの漏れ電流の相殺を示している。
【０２６６】
チョップ信号は、結果として大きな誤差を生じるので２相クロック発生器の入力クロックが変化したときでなく、ｐｈ０と同時に変化すべきである。最良の解決策は、ｐｈ０でクロック動作し、デシメーションフィルタと同じクロックで動作するプログラム可能な分周器からイネーブル信号をとる、イネーブルされるトグル機能を用意することである。
【０２６７】
８．２．６ センサーの並列抵抗
センサーの並列抵抗は、チョッピングでは補正されえず、時間依存の電荷注入を行う。これは、センサーと並列につないだキャパシタのように見えるが、ただし、このキャパシタの値はクロック周波数に依存する。漏れ電流が５０ｎＡである、値１．８／（２＊５０ｎＡ）＝１８ＭΩの抵抗器をとると、図４０は、並列抵抗器なしで、数サイクル後にビットパターンが基準からずれることを示している。
【０２６８】
同等の静電容量は、
【数２７】
によって与えられるが、ただし、式中、Ｆｓはサンプリング周波数であり、Ｒｐは並列抵抗である。２の係数が２つで４の係数となる。第１は、漏れ電流の積分は、サイクル時間の半分である積分器の評価フェーズでのみ実行されることである。第２に、ＣＤＳのため、キャパシタに対するクロックの両方のフェーズで電荷が考慮される。事実上、センサーキャパシタは、ｖｄｄの電圧振幅に従うが、抵抗器は、ｖｄｄ／２にのみ従う。これは、仮想アース点が、ｖｄｄ／２に保持され、抵抗器は０又はｖｄｄで駆動されるからである。Ｆｓ＝６４ｋＨｚ及びＲｐ＝１ＧΩでは、Ｃｅｑ＝３．９ｆＦとなる。
【０２６９】
これは、アナログデバイスのデータシートによって確認され、これで、少なくとも１ＧΩは８ｆＦ又は６ｇｍの静電容量変化に相当すると推論する（Ｆｓ＝３２ｋＨｚの場合）。
【０２７０】
ペンダウン閾値が、１２ｇｍに設定された場合、静電容量変化は、５．４２ｆＦとなる。次いで、Ｒｐによる誤差が１０％又は０．５４ｆＦであることが許容された場合、Ｒｐは＞７．２ＧΩである必要がある。Ｒｐは較正されうるため、したがって、重要になるのはＲｐの変化である。
【０２７１】
Ｃｅｑは、サンプリング周波数依存キャパシタであるため、２つの異なる周波数で測定を行い、現実の寄生容量から絶縁することも可能であろう。可能な最も高いサンプリング周波数を使用すると、その効果は最小に抑えられるが、これは電力消費を最小にしようとすることに反する。
【０２７２】
８．２．７ センサーの直列抵抗
これは、本発明の構成について考慮される場合のある設計基準のうちの他方の基準である。
【０２７３】
８．２．８ ドライバの寄生容量
ドライバ出力は、クロックサイクルの半分の期間内に整定しなければならない。式
（式３１） Ｉｍｉｎ＝２ＦｓＣｐａｒＶｄ
において定電流駆動であると仮定すると、Ｆｓ＝６４ｋＨｚについて、Ｃｐａｒ＝５０ｐＦ、Ｖｄ＝１．８Ｖ、Ｉｍｉｎ＝１１．５ｕＡである。
抵抗性の駆動であると仮定すると、
【数２８】
である。
【０２７４】
センサー並列寄生容量を相殺するために、駆動波形は、高い精度で整定する必要がある。この静電容量が２ｐＦのときに誤差が１％だと、相殺誤差は２０ｆＦとなる。シミュレーションから、最大１０ＫΩまでのソース抵抗が電圧基準において許容されなければならないことがわかり、これによりスイッチ内の抵抗を追加できる。
【０２７５】
８．２．９ ＲＦフィルタ
これは、アンチエイリアシングフィルタではない。スイッチドキャパシタ回路内部にあるため、そのカットオフ周波数は、整定時間に直接影響を及ぼす。近似として、カットオフ周波数は、約１０Ｆｓでなければならない。カットオフ及び最高サンプリング周波数が１ＭＨｚ固定である場合、これは、１０ＭＨｚに設定されるべきである。
【０２７６】
８．２．１０ 節電
クロックバイアスを使用することにより、出力が入力に接続されているときに低い電圧利得が許容可能なので、積分器のサンプルフェーズ（クロックｐｈ０＝１）において電流を節約することが可能である。このサンプルフェーズで、電流消費量を１０％まで削減することが可能である。
【０２７７】
コモンモード増幅器は、バイアス電流が変化する毎にその出力を適応させなければならなかったので、コモンモード増幅器には問題があった。図４１に例示されているように、出力におけるコモンモード電圧は、小電流のときに６００ｍＶまで低下し、それが回復するには時間が不十分であった。
【０２７８】
元のＯＴＡは、ＯＴＡの出力分岐中のバイアス電流をオフセットするコモンモード増幅器に依存していた。オフセットは、バイアス電流に依存し、したがって、バイアス電流が切り替えられる毎に補正が必要であった。これは、コモンモード増幅器をプッシュプルにし、主ＯＴＡの出力分岐中の電流のバランスをとることにより解決された。したがって、シグマ／デルタ変調装置は、低電流で非常に性能が高い。
【表５】
表５は、２クロック位相における電流消費及び６４ｋＨｚクロックによる平均を示している。緩衝増幅器にはメリットがないため、クロックバイアス機能は、シグマ／デルタコンバータにのみ適用された。バンドギャップ基準及び低消費電力発振器ではさらに電流を必要とする。
【０２７９】
８．２．１１ ＰＳＲＲ
ＤＣでは、インターフェースの式中で相殺されるので、回路の動作範囲以外ではｖｄｄへの依存はない。しかし、フィードバックループは、前のクロックサイクルから次のクロックサイクルまでの間の変動を相殺できないけれども、ある種の平均化がデシメーションフィルタ内で生じる可能性がある。これは、ＶＨＤＬモデルにおいて見られるが、電源電圧除去の量は、センサー静電容量とともに変化するので簡単には推定できない。
【０２８０】
解決策は、ＣＤＣにおける基準レベルを安定化させることである。これにより、基準レベルはそれぞれ電源から４００ｍＶ程度離れていなければならないため、ＣＤＣのＳＮＲがわずかに減少する。
【０２８１】
コモンモード電圧ｖｃｍも、安定化される必要があり、ＶＤＤから直接的に導かれない。ｖｃｍは、ＶＤＤｍｉｎ又は約８００ｍＶで最適な動作をするように設定されなければならない。
【０２８２】
基準及びｖｃｍ電圧に対するレジスタ制御が、行われるべきである。
【０２８３】
アナログデバイスのデータシートに、ＤＣ、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚ以外の電源電圧除去に関する情報は載っていない。ＡＤ７７４５ボードの測定が実行されうる。
【０２８４】
８．２．１２ 積分器のリセット
主にシミュレーションのためである。追加の手間を省くため、すべてのスイッチは閉じられる。
【０２８５】
８．２．１３ 加算点
１．８Ｖの入力振幅では、図４２に示されている加算点電圧は、ＯＴＡが応答する前に０．９Ｖ±１．８Ｖに瞬時に到達しうる。この結果、クリッピング及び電荷減少が生じ、積分器の出力に大きな誤差が発生する。これは、駆動波形の立ち上がり及び立ち下がり時間のいずれかを延ばすことにより解決されうるが、これは、低インピーダンススルーレート制限ドライバが必要になるため望ましいものではない。それとは別に、キャパシタを加算点のところでグラウンドに追加することができる。これが、入力キャパシタに等しい場合、電圧振幅は、０．９Ｖ±０．９Ｖに制限されるであろう。これは、パッド及びグラウンドの寄生容量によって与えられる。
【０２８６】
Ｃｒｅｆ及びＣｆから出力への直接経路が、そこにグリッチが現れる理由となっている。
【０２８７】
８．２．１４ ＩＮＮからＶＣＭへの接続
バッファ加算点における平均電圧は、センサーが正常に動作している場合にｖｃｍでなければならない。板と板の間にショートが発生する場合、電圧はＧＮＤとＶＤＤとの間でトグルする。これは、ｖｃｍ±Ｖｔの基準レベルを使用するコンパレータと単純なローパスフィルタを組み合わせたものにより検出されうる。これは、さらに、ＧＮＤ又はＶＤＤへの感知入力のショートをも検出できる。
【０２８８】
又は、単純に、加算点がＧＮＤ＋Ｖｔより低くなるか、又はＶＤＤ−Ｖｔよりも高くなる場合を検出する。電流消費を最小にする。
【０２８９】
８．３ センサーの要件
図４３は、センサーの要件を決定するためのセンサー等価回路を例示している。
【０２９０】
以下の表６において、一度に１つだけ機能低下が適用される。
【表６】
８．４ 較正手順
必要なデシメーション係数及び対応するデシメータシフトが、最初に設定されなければならない。ＡＤＣオフセットは、０に設定されなければならない。動作モードは両方とも、利得とオフセット誤差を取り出すために２点較正を必要とする。５００ｇｍの１つの較正済みの力のみが適用される必要がある。
【０２９１】
ＣＤＣの利得は、絶対キャパシタ値に依存し、プロセス変動の影響を受ける（典型的には、ＭｉＭキャパシタの±１０％）。オフセットは、センサー寄生容量Ｃｐａｒ及びセンサー機械的許容誤差によって決まる。また、Ｒｐａｒは、有意な場合があり、適切な設計で最大化されなければならない。動的較正が使用される場合、コンバータが通常の動作範囲内に残るようにＣｃａｎのみを使用してＲｐａｒをオフセットすべきである。
【０２９２】
８．４．１ １／Ｃモード
以下の手順要素が使用される。
【０２９３】
公称ゼロ力静電容量Ｃｓｅｎｍｉｎが知られていなければならず、これは、力センサーの設計パラメータである。
【０２９４】
Ｃｉｎ１は、コンバータが、ゼロ力条件の下、フルスケールの１０％で動作するように設定されなければならない。Ｃｓｅｎｓｍｉｎが与えられたときに、この値を計算できる。式１８を使用し、Ｃｐａｒが相殺されていると仮定すると、Ｃｉｎ１＝０．９Ｃｓｅｎｓｍｉｎである。例えば、Ｃｓｅｎｓｍｉｎ＝０．３３３３ｐＦであれば、Ｃｉｎ１＝０．３ｐＦと設定する。
【０２９５】
コンバータの読み取りがスケールの１０％になるまでＣｃａｎを調整してＣｐａｒを相殺する。Ｃｐａｒの標準値が知られ、これにより、コンバータは飽和から抜け出る。第８．１．３．１節の実施例を使用すると、スケール＝６４では、１０％での読み取り値は１１６となる。
【０２９６】
ＡＤＣオフセットを設定し、コンバータのゼロ調整をする。コンバータ出力は、負であってはならないので、１０％点を設定する前にではなく、今このステップを実行する。較正された力を加えて、出力を記録し、これにより、利得較正係数を設定する。
【０２９７】
８．４．２ Ｃモード
以下の手順要素が使用される。
【０２９８】
式１７で使用されているパラメータＫ４及びＫ５はすでに決定されており、したがって、センサー及びコンバータは、それと一致するように較正される必要がある。
【０２９９】
Ｃｐａｒ及びＣｉｎ１をその標準値に設定して、コンバータを動作範囲内に入れる。
【０３００】
現在のコンバータ出力から力を計算する。
【０３０１】
較正された力を加えて、計算された出力を記録すると、２つの計算結果の差が利得較正を定める。
【０３０２】
必要な利得補正を与えるＣｉｎ１に対する値を計算し、この値を設定する。
【０３０３】
力を加えない状態で、力を計算し、力をゼロに設定するＣｃａｎに対する必要な値を計算して、この値を設定する。
【０３０４】
８．４．３ 動的較正
Ｃｃａｎのステップサイズは、約２０ｆＦとなる可能性が高く、これは、４２ｇｍの力変化を表す。ペンダウン閾値が正確であるように、Ｃｃａｎの調整とＡＤＣオフセットの組合せが使用されなければならない。１／Ｃの動作の場合、利得較正係数を再計算する必要がある。再計算しないと、Ｃｃａｎのステップサイズの結果、利得誤差は１０％となる（許容可能である場合がある）。
【０３０５】
８．５ ＡＤ７７４５の測定
ＡＤ７７４５の干渉信号に対する耐性を評価するためにいくつかの測定が行われた。不要信号が、３９ｐＦのキャパシタを介して、センサーキャパシタの出力側であるＣＩＮ１ピンに注入された。このキャパシタの追加は、測定されるセンサーキャパシタが信号発生器の出力インピーダンスを介してグラウンドに接続されているため、測定されるセンサーキャパシタに及ぼす影響は無視できるくらい小さい。センサー静電容量は、大部分約６０ｆＦの寄生容量である。
【０３０６】
ボードは、９０Ｈｚの最大サンプリングレートを出力するようにセットアップされ、両方のＣＡＰＤＡＣは、スイッチオフされた。励起レベルは、±ＶＤＤ／２の最大であり、シングルエンドモードで動作した。励起周波数は約３３ｋＨｚであった。
【０３０７】
測定されたキャパシタを変えるために必要な信号レベル（ＣＩＮ１上で測定される）は、−２０ｆＦの誤差となるように調節された。以下の表７を参照のこと。
【表７】
８．５．１ 観察結果
・２ＭＨｚより上では、注入信号は、測定静電容量を下げる。
・１ＭＨｚより下では、注入信号は、測定静電容量を上げる。
・１ＭＨｚから２ＭＨｚの間では、周波数と振幅に応じて、静電容量誤差はいずれの方向にも進みうる。
・励起周波数の高調波に近い周波数の場合、感度は最大となる（これらは、通過帯域へエイリアスされる）。
・チョップイネーブルが選択されている場合、耐性は、約３倍高まる。最大出力サンプリングレートは、４９．８Ｈｚであった。
【０３０８】
約３ＭＨｚのところに極があるように見えるが、これは、入力ＲＣフィルタとして実装されるか、又は積分器ＯＰアンプの帯域幅によるものである。データシートでは、Ｃ＝５３ｐＦ（いくぶん大きい）を持つＲＦフィルタを暗示する１Ｋ以下の入力直列抵抗を追加することも可能であることを推奨している。
【０３０９】
最も可能性の高い干渉源は、３５ＭＨｚの直列インターフェース及び２．４ＧＨｚのＢｌｕｅｔｏｏｔｈであり、これらは３ＭＨｚから十分離れている。
【０３１０】
８．５．２ ノイズ測定
これらの測定は、容量近接検出器の機械式モックアップを使用して行われた。センサーの寄生容量をオフセットするために、ＣＡＰＤＡＣＡが最大値１６．８７ｐＦに設定された。約０．７５ｐＦの静電容量変化が、直線領域において観察され、範囲の末端で粘着テープを誘電体として使用すると、１．７５ｐＦであった。９０Ｈｚのサンプリング及び±ＶＤＤ／２の励起により、ノイズレベルは、「ペンアップ」で１０００個のサンプルを使って、０．０００３６ｐＦｒｍｓ及び０．００３２ｐＦｐｋ−ｐｋと測定された。
【０３１１】
ホワイトノイズを仮定すると、９０Ｈｚから１．３ｋＨｚまでの倍率は、１０＊ｌｏｇ（１３００／９０）＝１１．６ｄＢである。
【０３１２】
０．７５ｐＦの範囲については、ｐｋ−ｐｋ信号対ｒｍｓノイズのＳ／Ｎは、Ｓ／Ｎ＝２０＊ｌｏｇ（０．７５／０．０００３６）＝６６．４ｄＢとなる。（ＡＤ７７４５では、１３ビット又は７８ｄＢのＳ／Ｎのｒｍｓ分解能を与えた場合に８ｐＦの静電容量範囲についてＳ／Ｎを計算することに留意されたい。）１．３ｋＨｚの倍率については、Ｓ／Ｎ＝６６．４ｄＢ−１１．６ｄＢ＝５４．８ｄＢ（９．１ＥＮＯＢ）である。
【０３１３】
センサーを外し、ＣＡＰＤＡＣＡをオフにした状態では、測定された静電容量は０．００５２ｐＦであった。測定されたｒｍｓノイズは、０．００００６５４ｐＦｒｍｓになり、これは１４．８ｄＢの改善である。
【０３１４】
８．６ 結論
本発明のシグマ／デルタ静電容量インターフェース構成は、特にネットページ感知デバイスのペン先に対する、力感知の問題に対する確実な解決策をもたらす。上述の構成には、外力に正比例するコンバータ出力を発生することを利用し、コンバータ出力からの力の計算におけるハードウェア除算を回避し、力の範囲全体にわたって一定の精度を維持し、コンバータの全範囲を使用するという利点がある。
【０３１５】
特定の、またモデル化された実施例の他の利点は以下のとおりである。
・センサーキャパシタへの駆動（励起）が低インピーダンスであり、電圧ピックアップの耐性がある
・センサーキャパシタは仮想アースを駆動し、電圧ピックアップ耐性がある
・センサーキャパシタの両側においてグラウンドへの寄生容量に対する許容差が高い
・能動的なガードが不要である
・１／Ｃに比例する出力を発生するように設計されうる（Ｃが大きくなると出力を圧縮し、逆に、Ｃの小さな値に対し十分な分解能をもたらす）
・ＲＦ（＞１０ＭＨｚ）誘導電圧に対する耐性が良好である
・正確なクロックを必要としない
・正確な電圧基準を必要とせず、したがって、最大励起±ＶＤＤ／２が使用されうる
・シグマ／デルタ変換の通常の利点を活かせる
・消費電力を十分に低くできる場合（プロセッサのスリープモード）、デジタル領域においてペンダウンオフセットを適用することができる
・サンプリングレートは、不要信号除去を改善するためにプロセッサがオンであるときに高められる。
【０３１６】
もちろん、本発明は、純粋に例によってのみ説明されていること、また詳細の修正は、本明細書で説明されているような本発明の範囲内において行うことができることは理解されるであろう。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力センサーに関する。本発明は、主に、ペン、ポインタ、及び同類のものなどの光感知デバイスにおいて使用するための力センサーを実現するために開発された。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、以下で詳述されるネットページシステムを開発した。本発明は、特にこのシステム用の感知デバイスに適しているので、ネットページの文脈において説明することにする。しかし、力センサーは、多くの用途に利用されていることは理解されるであろう。特に、ハンドヘルド型光センサーには、さまざまな分野における幅広い用途があり、本発明は、ネットページシステムつまり実際には光感知デバイスの中での使用に限定されるわけではない。
【０００３】
ネットページシステムは、ペンと紙を使用したインターフェースを介してユーザーとコンピュータネットワーク（又はスタンドアロンコンピュータ）との間のインタラクションを伴う。「ペン」とは、マーキング又はノンマーキングのペン先と紙（又は他の表面）上の符号化データのパターンを読み取るための光センサーとを備える電子スタイラスのことである。
【０００４】
ネットページペンの主要な特徴の１つは、マウスを使って画面上のインタラクティブ要素（例えば、ハイパーリンクなど）をクリックするのと同じようにしてネットページ上のインタラクティブ要素を「クリック」できることである。しかし、ネットページペンの場合、ユーザーは、単にペン先をクリックしたいインタラクティブ要素上に置くだけである。光センサーは、ペン先がページに対して押し付けられたときに力センサーが「ペンダウン」状態を登録する間に、その要素をその一意的なページ及び位置ＩＤを介して識別する。「ペンダウン」及び「ペンアップ」の登録は、さらに、ネットページ入力フィールドへのユーザーの手書きを取り込むうえで基本的なものである。力に関係する幅及び不透明度が可変である手描きストロークを再現するために非２値力信号も取り込まれる。また力の変化も、署名照合時に調べられる次元のうちの１つの次元として使用されうる。
【０００５】
力センサーは、正確に比較的軽い力（ペン先に対する手書きの力など）を感知するために必要である。また、これは、最小限度の電力を必要とし、ハンドヘルド型感知デバイスに組み込むのに適したものであるべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６９２９１８６号
【発明の概要】
【０００７】
第１の態様では、本発明は、容量センサー回路を備える力センサーであって、その容量センサー回路が、その容量センサー回路の出力が１／Ｃｓｅｎに比例するように配列された可変静電容量Ｃｓｅｎを有するセンサーキャパシタを組み込んでいる力センサーを実現する。
【０００８】
適宜、センサーキャパシタは、１つの固定された板と、１つの移動可能な板とを有する平行板キャパシタである。
【０００９】
適宜、移動可能な板は、その移動可能な板に加えられる圧力によって、固定された板に相対的に移動し、これにより板の分離距離と前記静電容量Ｃｓｅｎを変化させるように構成される。
【００１０】
適宜、圧縮バネが、移動可能な板に連結される。
【００１１】
適宜、センサーキャパシタは、そのセンサーキャパシタの板の１つが容量センサー回路に直結されるように容量センサー回路の容量帰還回路内に配置される。
【００１２】
適宜、容量センサー回路は、シグマ／デルタコンバータ回路である。
【００１３】
第２の態様では、本発明は、基材とのインタラクションを行うための感知デバイスであって、当該感知デバイスが基材とインタラクションを行っているかどうかを検出するための力センサーと、基材上に配置されている符号化データを感知するためのイメージセンサーとを備え、前記力センサーが容量センサー回路を備え、その容量センサー回路が、その容量センサー回路の出力が１／Ｃｓｅｎに比例するように配列された可変静電容量Ｃｓｅｎを有するセンサーキャパシタを組み込んでいる感知デバイスを実現する。
【００１４】
さらなる態様では、感知された符号化データを使用してインタラクションデータを生成するように構成されたプロセッサを備える感知デバイスが実現される。
【００１５】
他の態様では、感知デバイスが基材とインタラクションを行っていることを力センサーが検出したときのみイメージセンサーが符号化データを感知するように構成された感知デバイスが実現される。
【００１６】
さらなる態様では、ペン先又はスタイラスを持たないクリッカー、ノンマーキングスタイラスを有するポインタ、及びマーキング用ペン先を有するペンからなる群から選択される感知デバイスが実現される。
【００１７】
適宜、センサーキャパシタは、１つの固定された板と、１つの移動可能な板とを有する平行板キャパシタである。
【００１８】
適宜、移動可能な板は、その移動可能な板に加えられる圧力によって、固定された板に相対的に移動し、これにより板の分離距離と前記静電容量Ｃｓｅｎを変化させるように構成される。
【００１９】
適宜、圧縮バネが、移動可能な板に連結される。
【００２０】
適宜、センサーキャパシタは、そのセンサーキャパシタの板の１つが容量センサー回路に直結されるように容量センサー回路の容量帰還回路内に配置される。
【００２１】
適宜、容量センサー回路は、シグマ／デルタコンバータ回路である。
【００２２】
第３の態様では、本発明は、可変静電容量Ｃｓｅｎを有するセンサーキャパシタと、Ｃｓｅｎが最小予測値をとるときに容量センサー回路が飽和に近づくように相対的に配列された基準キャパシタとを組み込んだ容量センサー回路を備える力センサーを実現する。
【００２３】
適宜、センサーキャパシタは、１つの固定された板と、１つの移動可能な板とを有する平行板キャパシタである。
【００２４】
適宜、移動可能な板は、その移動可能な板に加えられる圧力によって、固定された板に相対的に移動し、これにより板の分離距離と前記静電容量Ｃｓｅｎを変化させるように構成される。
【００２５】
適宜、圧縮バネが、移動可能な板に連結される。
【００２６】
適宜、容量センサー回路は、シグマ／デルタコンバータ回路である。
【００２７】
適宜、相関二重サンプリングが、シグマ／デルタコンバータ回路の積分器に適用される。
【００２８】
第４の態様では、本発明は、基材とのインタラクションを行うための感知デバイスであって、当該感知デバイスが基材とインタラクションを行っているかどうかを検出するための力センサーと、基材上に配置されている符号化データを感知するためのイメージセンサーとを備え、前記力センサーが容量センサー回路を備え、その容量センサー回路が、可変静電容量Ｃｓｅｎを有するセンサーキャパシタと、Ｃｓｅｎが最小予測値をとるときに容量センサー回路が飽和に近づくように相対的に配列された基準キャパシタとを組み込んでいる感知デバイスを実現する。
【００２９】
さらなる態様では、感知された符号化データを使用してインタラクションデータを生成するように構成されたプロセッサを備える感知デバイスが実現される。
【００３０】
他の態様では、感知デバイスが基材とインタラクションを行っていることを力センサーが検出したときのみイメージセンサーが符号化データを感知するように構成された感知デバイスが実現される。
【００３１】
さらなる態様では、ペン先又はスタイラスを持たないクリッカー、ノンマーキングスタイラスを有するポインタ、及びマーキング用ペン先を有するペンからなる群から選択される感知デバイスが実現される。
【００３２】
適宜、センサーキャパシタは、１つの固定された板と、１つの移動可能な板とを有する平行板キャパシタである。
【００３３】
適宜、移動可能な板は、その移動可能な板に加えられる圧力によって、固定された板に相対的に移動し、これにより板の分離距離と前記静電容量Ｃｓｅｎを変化させるように構成される。
【００３４】
適宜、圧縮バネが、移動可能な板に連結される。
【００３５】
適宜、容量センサー回路は、シグマ／デルタコンバータ回路である。
【００３６】
適宜、相関二重サンプリングが、シグマ／デルタコンバータ回路の積分器に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】基本的なネットページアーキテクチャの一実施形態を示す図である。
【図２】サンプルの印刷されたネットページとそのオンラインページ記述との間の関係を示す略図である。
【図３】リレーデバイスのさまざまな代替え形態を持つ基本ネットページアーキテクチャの一実施形態を示す図である。
【図３Ａ】ネットワークを介して相互接続されているネットページサーバ、Ｗｅｂ端末、プリンタ、及びリレーの集合体を示す図である。
【図４】印刷されたネットページとそのオンラインページ記述の高水準構造を示す略図である。
【図５Ａ】ネットページタグの構造を示す平面図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示されているタグの集合とネットページペンの形態のネットページ感知デバイスの視野との間の関係を示す平面図である。
【図６Ａ】ネットページタグの代替えの構造を示す平面図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示されているタグの集合とネットページペンの形態のネットページ感知デバイスの視野との間の関係を示す平面図である。
【図６Ｃ】ターゲットが隣接するタグ間で共有される図６ａに示されているタグのうちの９つのタグの配列を示す平面図である。
【図６Ｄ】図６Ａに示されているタグの４つのコードワードのシンボルのインタリーブ及び回転を示す平面図である。
【図７】タグイメージ処理及び復号化アルゴリズムの流れ図である。
【図８】ネットページペン及びその関連するタグ感知視野円錐を示す斜視図である。
【図９】図８に示されているネットページペンの分解組立斜視図である。
【図１０】図８及び９に示されているネットページペン用のペンコントローラの概略ブロック図である。
【図１１】ペンクラスダイアグラムの略図である。
【図１２】ドキュメント及びページ記述クラスダイアグラムの略図である。
【図１３】ドキュメント及びページ所有クラスダイアグラムの略図である。
【図１４】端末要素特化クラスダイアグラムの略図である。
【図１５】静的要素特化クラスダイアグラムの略図である。
【図１６】ハイパーリンク要素クラスダイアグラムの略図である。
【図１７】ハイパーリンク要素特化クラスダイアグラムの略図である。
【図１８】ハイパーリンクグループクラスダイアグラムの略図である。
【図１９】フォームクラスダイアグラムの略図である。
【図２０】デジタルインククラスダイアグラムの略図である。
【図２１】フィールド要素特化クラスダイアグラムの略図である。
【図２２】チェックボックスフィールドクラスダイアグラムの略図である。
【図２３】テキストフィールドクラスダイアグラムの略図である。
【図２４】署名フィールドクラスダイアグラムの略図である。
【図２５】入力処理アルゴリズムの流れ図である。
【図２５Ａ】図２５の流れ図の１つのステップの詳細な流れ図である。
【図２６】ハイパーリンクリクエストクラスダイアグラムの略図である。
【図２７】ローデジタルインククラスダイアグラムの略図である。
【図２８】固定された板と移動可能な板とを持つ平行板キャパシタの略図である。
【図２９】従来の（Ｃｓｅｎに比例する）センサーを示す略図である。
【図３０】１／Ｃセンサーの略図である。
【図３１】出力される符号と外力との関係を示す図である。
【図３２】量子化による測定誤差を示す図である。
【図３３】２次の１／Ｃ ＣＤＣを示す略図である。
【図３４】２次回路に対する従来の改善を示す略図である。
【図３５】オフセット２次回路を示す略図である。
【図３６】ＣＤＳ演算を示す図である。
【図３７】Ｃｉｎｌの誤差を示す図である。
【図３８】Ｃｃａｎの誤差を示す図である。
【図３９】漏れ電流±５０ｎＡ、チョッピング周波数ｃｌｋ／２の積分器１の出力を示す図である。
【図４０】センサー並列抵抗（１８ＭΩ）の効果を示す図である。
【図４１】コモンモード電圧を示す図である。
【図４２】加え合わせ点電圧を示す図である。
【図４３】センサー等価回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の任意の実施形態は、限定されない実施例のみを使って、付属の図面を参照しつつ説明される。注記：メムジェット（Ｍｅｍｊｅｔ）（商標）は、オーストラリア所在のＳｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｔｙ Ｌｔｄ社の商標である。
【００３９】
好ましい実施形態では、本発明は、ネットページネットワーク接続コンピュータシステムと連携するように構成されており、これらの詳細な概要について以下に示す。すべての実装が、基本システムに関して以下で説明されている具体的な詳細及び拡張の全部を、又は大部分であっても、必ずしも具現化するとは限らないことは理解されるであろう。しかし、システムは、本発明の好ましい実施形態及び態様が動作する背景状況を理解しようとしたときに外部の参考文献をあまり参照しなくて済むように最も完全な形で説明されている。
【００４０】
簡単に述べると、ネットページシステムの好ましい形態では、マッピングされた表面、つまり、コンピュータシステム内に保持されている表面のマップへの参照を含む物理的表面の形態のコンピュータインターフェースを使用する。マップ参照に対するクエリーが、適切な感知デバイスによって行われうる。特定の実装に応じて、マップ参照は、可視的に、又は不可視的に符号化され、マッピングされた表面上のローカルクエリーがマップ内及び異なるマップ間の両方において曖昧でないマップ参照を生成するように定義されうる。コンピュータシステムは、マッピングされた表面上の特徴に関する情報を格納することができ、そのような情報は、マッピングされた表面とともに使用される感知デバイスによって供給されるマップ参照に基づいて取り出すことができる。こうして取り出された情報は、オペレータと表面特徴とのインタラクションに応じてオペレータの代わりにコンピュータシステムによって起動されるアクションの形態をとりうる。
【００４１】
好ましい形態では、ネットページシステムは、ネットページの生成及びネットページに対するヒューマンインタラクションを利用する。これらは、通常の紙に印刷された、ただしインタラクティブなＷｅｂページのように機能する数ページ分のテキスト、グラフィックス、及びイメージである。情報は、肉眼では実質的に見えないインクを使用してそれぞれのページ上に符号化される。しかし、インクは、したがって符号化されたデータは、光学式撮像感知デバイスによって感知され、ネットページシステムに伝送されるようにできる。感知デバイスは、クリッカー（表面上の特定の位置をクリックするため）、スタイラス（ポインタストロークを使用して表面上でポイントするか、又はジェスチャーを使用するため）を有するポインタ、又はマーキング用ペン先（表面上でポイントしたり、ジェスチャーを使用したり、書いたりするときに表面にインクでマーキングするため）を有するペンの形態をとりうる。
【００４２】
一実施形態では、それぞれのページ上のアクティブボタン及びハイパーリンクは、ネットワークに情報を要求するか、又はネットワークサーバにプリファレンスを信号で伝えるために、感知デバイスでクリックされうる。一実施形態では、ネットページ上に手書きされたテキストは、ネットページシステム内で自動的に認識され、コンピュータテキストに変換され、これによりフォームへの書き込みが可能になる。他の実施形態では、ネットページ上に記録された署名は、自動的に照合され、ｅコマース取引を安全に認証することができる。他の実施形態では、ユーザーによって指示されたキーワードに基づき検索を開始するために、ネットページ上のテキストがクリックされるか、又はテキストに対しジェスチャーが使用されうる。
【００４３】
図２に例示されているように、印刷されたネットページ１は、ユーザーによって、印刷されたページ上に、物理的に書き込まれるだけでなく、ペンとネットページシステムとの間の通信を介して「電子的に」書き込まれうるインタラクティブフォームを表すことができる。この実施例は、名前及びアドレスのいくつかのフィールドと送信ボタンを含む「リクエスト」フォームを示している。ネットページは、可視インクを使用して印刷されたグラフィックデータ２と、不可視インクを使用してタグ４の集合体として印刷された符号化データ３とからなる。ネットページネットワーク上に格納されている、対応するページ記述５で、ネットページの個別要素を記述する。特に、これは、ネットページシステムがネットページを介して入力を正しく解釈できるように、それぞれのインタラクティブ要素（つまり、実施例におけるテキストフィールド又はボタン）のタイプ及び空間的広がり（ゾーン）を記述する。例えば、サブミットボタン６は、対応するグラフィック８の空間的広がりに対応するゾーン７を有する。
【００４４】
図１及び３に例示されているように、図８及び９に示され、以下でさらに詳しく説明されているペンなどのネットページ感知デバイス１０１は、家庭で使用する、事務所で使用する、又は移動中に使用するためのインターネット接続デバイスであるネットページリレーデバイス６０１と連携動作する。ペンは、無線通信を行い、短距離無線リンク９を介してネットページリレーデバイス６０１と安全に通信する。代替えの一実施形態では、ネットページペン１０１は、リレーデバイス６０１に対しＵＳＢ又は他のシリアル接続などの有線接続を使用する。
【００４５】
リレーデバイス６０１は、インタラクションデータを解釈する、ページサーバ１０にインタラクションデータを中継する基本機能を実行する。図３に示されているように、リレーデバイス６０１は、例えば、パーソナルコンピュータ６０１ａ、ネットページプリンタ６０１ｂ、又は他の何らかのリレー６０１ｃの形態をとりうる。
【００４６】
ネットページプリンタ６０１ｂは、定期的に、又はオンデマンドで、個人向け新聞、雑誌、カタログ、冊子、及び他の刊行物を、すべてインタラクティブネットページとして高品位印刷して配布することができる。パーソナルコンピュータとは異なり、ネットページプリンタは、例えば、ユーザーの台所で、朝食のテーブルの近くで、又はその日１日の家庭の出発点の近くでなど、朝のニュースが最初に消費される領域に隣接して壁掛けできるアプライアンスである。さらに、テーブルの上に置くバージョン、机の上に置くバージョン、携帯型バージョン、及び小型バージョンのものもある。消費の時点においてオンデマンドで印刷されるネットページは、紙の使いやすさとインタラクティブ媒体の即時性及び双方向性とを兼ね備える。
【００４７】
それとは別に、ネットページリレーデバイス６０１は、携帯電話若しくはＰＤＡなどの携帯型デバイス、ラップトップ若しくはデスクトップコンピュータ、又はテレビなどの共有ディスプレイに接続された情報アプライアンスとしてもよい。リレーデバイス６０１が、ネットページをオンデマンドでデジタル印刷するネットページプリンタ６０１ｂでない場合、ネットページは、オフセット印刷、フレキソ印刷、スクリーン印刷、凸版印刷、及び輪転グラビア印刷などの技術を使用する伝統的なアナログ印刷機によって、さらにはドロップオンデマンドインクジェット、連続インクジェット、転染、及びレーザー印刷などの技術を使用するデジタル印刷機によって印刷されうる。
【００４８】
図３に示されているように、ネットページ感知デバイス１０１は、印刷されたネットページ１上の、又は製品２５１のラベルなどの他の印刷された基材上の符号化データとのインタラクションを実行し、短距離無線リンク９を介してそのインタラクションをリレーデバイス６０１に伝える。リレー６０１は、解釈のため対応するインタラクションデータを関連するネットページページサーバ１０に送信する。感知デバイス１０１から受信されたローデータは、インタラクションデータとしてページサーバ１０に直接中継されうる。それとは別に、インタラクションデータは、インタラクションＵＲＩの形で符号化され、ユーザーのＷｅｂブラウザを介してページサーバ１０に送信されうる。もちろん、リレーデバイス６０１（例えば、携帯電話）は、Ｗｅｂブラウザとユーザーディスプレイを組み込むことができる。
【００４９】
該当する状況において、ページサーバは、対応するメッセージをネットページアプリケーションサーバ１３上で実行中のアプリケーションコンピュータソフトウェアに送信する。アプリケーションサーバは、次いで、応答を送信することができ、この応答は、リレー６０１に関連付けられているユーザーディスプレイデバイス上に表示されるか、又は発信元のネットページプリンタ上で印刷される。
【００５０】
ネットページリレーデバイス６０１は、任意の数の感知デバイスをサポートするように構成することができ、感知デバイスは、任意の数のネットページリレーと連携動作しうる。好ましい実装では、それぞれのネットページ感知デバイス１０１は一意的な識別子を有する。これにより、それぞれのユーザーは、ネットページページサーバ１０又はアプリケーションサーバ１３に関して異なるプロファイルを維持することができる。
【００５１】
ネットページ１のデジタルオンデマンド配布は、利用が高まっているブロードバンドインターネットアクセスを利用するネットページプリンタ６０１ｂによって実行されうる。ネットページネットワーク上のネットページパブリケーションサーバ１４は、印刷品質の刊行物をネットページプリンタに配信するように構成される。定期刊行物は、ポイントキャスト及びマルチキャストのインターネットプロトコルを介してサブスクライブするネットページプリンタに自動的に配信される。個人向け刊行物は、個々のユーザープロファイルに従ってフィルタ処理され、フォーマットされる。
【００５２】
ネットページペンは、ネットページ登録サーバ１１に登録され、１つ又は複数の決済カード口座にリンクされうる。これにより、ネットページペンを使用してｅコマース決済を安全に認証することができる。ネットページ登録サーバは、ネットページペンによって取り込まれた署名とすでに登録されている署名との比較を行い、ｅコマースサーバに対しユーザーＩＤを認証することができる。他のバイオメトリクスも、本人確認に使用できる。ネットページペンの一バージョンは、ネットページ登録サーバによって類似の方法で確認される、指紋スキャニングを含む。
【００５３】
ネットページシステムのアーキテクチャ
システムにおけるそれぞれのオブジェクトモデルは、統一モデリング言語（ＵＭＬ）クラスダイアグラムを使用して記述される。クラスダイアグラムは、関係によって接続されたオブジェクトクラスの集合からなり、ここでは、関連と汎化という２つの種類の関係に注目する。関連は、オブジェクト間のある種の関係、つまりクラスのインスタンス間のある種の関係を表す。汎化は、実際のクラスを関係付けるもので、クラスがそのクラスのすべてのオブジェクトの集合と考えられ、クラスＡがクラスＢの汎化であれば、Ｂは、単に、Ａの部分集合であるというように理解できる。ＵＭＬでは、２次モデリング、つまり、クラスのクラスを直接的にはサポートしていない。
【００５４】
それぞれのクラスは、クラスの名称をラベル付けされた矩形として描画される。これは、水平線で名前から区切られている、クラスの属性のリストと、水平線で属性リストから区切られている、クラスのオペレーションのリストとを含む。しかし、以下のクラスダイアグラムでは、オペレーションは決してモデル化されない。
【００５５】
関連は、関連の多重度をいずれかの端に適宜ラベルとして付けられた、２つのクラスを結合する１本の直線として描画される。デフォルトの多重度は、１である。アスタリスク（＊）は、「多」の多重度、つまり、０若しくはそれ以上を示す。それぞれの関連は、適宜その名前をラベル付けされ、また適宜いずれかの端で対応するクラスの役割をラベル付けされる。白抜きの菱形は、集約関連（「ｉｓ−ｐａｒｔ−ｏｆ」（の一部である））を示し、関連線のアグリゲータ端に描画される。
【００５６】
汎化関係（「ｉｓ−ａ」）は、２つのクラスを結合する１本の実線として描画され、汎化端に矢印（白抜きの三角形の形）がある。
【００５７】
クラスダイアグラムが、複数のダイアグラムに分解される場合、複製されるクラスは、それを定義する主ダイアグラムを除くすべてにおいて破線の輪郭で示される。これは、定義されている場合にのみ属性とともに示される。
【００５８】
１ ネットページ
ネットページは、ネットページネットワークを構築するための基礎である。ネットページは、公開された情報及びインタラクティブサービスに対する紙を利用したユーザーインターフェースを構成する。
【００５９】
ネットページは、ページのオンライン記述を参照しつつ不可視タグが付けられた印刷されたページ（又は他の表面領域）からなる。オンラインページ記述は、ネットページページサーバ１０によって永続的に保持される。ページ記述は、テキスト、グラフィックス、及びイメージを含む、ページの可視レイアウト及びコンテンツを記述するものである。また、ボタン、ハイパーリンク、及び入力フィールドを含む、ページ上の入力要素も記述する。ネットページを使用すると、表面上にネットページペンで付けられたマーキングが、ネットページシステムによって同時に取り込まれ、処理されるようにできる。
【００６０】
複数のネットページ（例えば、アナログ印刷機によって印刷されたネットページ）は、同じページ記述を共有することができる。しかし、他の何らかの形で同一のページを通じての入力を区別できるように、それぞれのネットページに、一意的なページ識別子を割り当てることができる。このページＩＤは、非常に多くのネットページを区別できる十分に高い精度を有する。
【００６１】
ページ記述に対するそれぞれの参照は、印刷されたタグに符号化される。それぞれのタグは、それが出現する一意的なページを識別し、それにより、ページ記述を間接的に識別する。タグは、さらに、ページ上のそれ固有の位置を識別する。タグの特性については、以下でさらに詳しく説明される。
【００６２】
タグは、典型的には、通常の紙などの赤外線を反射する基材上に赤外線吸収インクで印刷されるか、又は赤外線蛍光インクで印刷される。近赤外線波長は、人の目には不可視であるが、適切なフィルタを使った固体イメージセンサーを使用すれば容易に感知される。
【００６３】
タグは、ネットページ感知デバイス内のエリアイメージセンサーによって感知され、タグデータは、最も近い位置にあるネットページリレーデバイスを介してネットページシステムに伝送される。ペンは、無線通信を行い、短距離無線リンクを介してネットページリレーデバイスと通信する。タグは、十分に小さく、またページ上でシングルクリックしただけでも感知デバイスが少なくとも１つのタグを確実に撮像できる程度に密に配列されている。インタラクションはステートレスなので、ペン側でページとのインタラクション毎にページのＩＤ及び位置を認識することが重要である。タグは、表面の損傷に対する部分的耐性を持たせるために誤り訂正可能なように符号化される。
【００６４】
ネットページページサーバ１０は、それぞれの一意的な印刷されたネットページについて一意的なページインスタンスを保持し、これにより、印刷されたネットページ毎にページ記述の入力フィールドに対しユーザーが指定する値の異なる集合を保持することができる。
【００６５】
ページ記述、ページインスタンス、及び印刷されたネットページの間の関係は、図４に示されている。印刷されたネットページは、印刷されたネットページドキュメント４５の一部とすることができる。ページインスタンスは、それを印刷したネットページプリンタと、もし知られているならば、それを要求したネットページユーザーの両方に関連付けることができる。
【００６６】
２ ネットページタグ
２．１ タグデータのコンテンツ
好ましい一実施形態では、それぞれのタグは、それが出現する領域、及び領域内におけるそのタグの位置を識別する。タグは、さらに、全体として領域に関係するか、又はそのタグに関係するフラグを含むこともできる。例えば、１つ又は複数のフラグビットは、タグ感知デバイス側で領域の記述を参照しなくても、タグの即時領域に関連する機能を示すフィードバックを返すようにタグ感知デバイスに通知することができる。例えば、ネットページペンは、ハイパーリンクのゾーン内にあるときに「アクティブ領域」ＬＥＤを点灯させることができる。
【００６７】
以下でさらに詳しく説明するように、好ましい一実施形態では、それぞれのタグは、初期検出を補助し、表面によって、又は感知プロセスによって引き起こされる反りの効果を最小限に抑えるのを助ける、容易に認識される不変構造を含む。これらのタグは、好ましくはページ全体をタイリングし、十分に小さく、またページ上でシングルクリックしただけでもペンが少なくとも１つのタグを確実に撮像できる程度に密に配列されている。インタラクションはステートレスなので、ペン側でページとのインタラクション毎にページのＩＤ及び位置を認識することが重要である。
【００６８】
好ましい一実施形態では、タグが参照する領域は、ページ全体と一致し、したがって、タグ内に符号化されている領域ＩＤは、タグが出現するページのページＩＤと同義である。他の実施形態では、タグが参照する領域は、ページの任意の部分領域であるか、又は他の表面であってもよい。例えば、これは、インタラクティブ要素のゾーンと一致してもよく、この場合、領域ＩＤはインタラクティブ要素を直接的に識別することができる。
【表１】
それぞれのタグは、１２０ビットの情報を含み、これらは典型的には表１に示されているように割り当てられている。最大タグ密度が６４／平方インチであると仮定すると、１６ビットタグＩＤは、最大１０２４平方インチまでの領域サイズをサポートする。単に隣接する領域とマップを使用するだけでタグＩＤの精度を高めることなく、より大きな領域を連続的にマッピングできる。１００ビット領域ＩＤを使用すると、２１００（約１０３０つまり、１００万の１兆倍の１兆倍）個の異なる領域を一意的に識別することができる。
【００６９】
２．２ タグデータの符号化
１２０ビットのタグデータは、（１５，５）リードソロモン符号を使用して冗長符号化される。これにより、それぞれ１５個の４ビットシンボルからなる６個のコードワードからなる３６０個の符号化ビットが得られる。（１５，５）符号を使用すると、最大５個のまでのシンボル誤りをコードワード毎に訂正することができる、つまり、１コードワード当たり最大３３％までのシンボル誤り率に耐える。
【００７０】
それぞれの４ビットシンボルは、空間的にコヒーレントな方法でタグ内に表現され、６個のコードワードのシンボルは、そのタグ内で空間的にインタリーブされる。これにより、バースト誤り（複数の空間的に隣接するビットに影響を及ぼす誤り）が損なう、全体的なシンボルの数及び任意の１つのコードワード内のシンボルの数が最小限に抑えられることが保証され、したがって、バースト誤りが完全に訂正されうる可能性が最大になる。
【００７１】
好適な誤り訂正符号を（１５，５）リードソロモン符号の代わりに使用することができ、例えば、冗長度を増やした、又は減らした、同じ又は異なるシンボル及びコードワードサイズを使用するリードソロモン符号、他のブロック符号、又は畳み込み符号などの異なる種類の符号を代わりに使用できる（例えば、相互参照により本明細書に内容が組み込まれている、Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｂ．Ｗｉｃｋｅｒ、「Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅ」、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌｌ １９９５年を参照のこと）。
【００７２】
２．３ 物理的タグ構造
図５ａに示されている、タグの物理的表現は、固定ターゲット構造１５、１６、１７、及び可変データ領域１８を含む。固定ターゲット構造を使用すると、ネットページペンなどの感知デバイスでタグを検出し、センサーに相対的な３次元の配向を推論することができる。データ領域は、符号化されたタグデータの個別のビットの表現を含む。
【００７３】
タグの再現性を適切なものとするために、タグは２５６×２５６ドットの分解能でレンダリングされる。１６００ドット／インチで印刷した場合、これにより、直径約４ｍｍのタグが得られる。この分解能で、タグは半径１６ドットの「静かな領域」によって囲まれるように設計されている。この静かな領域には、隣接するタグも寄与するので、タグの有効径に１６ドットを加えるのみである。
【００７４】
タグは、６個のターゲット構造を含む。検出リング１５により、感知デバイスは最初にタグを検出することができる。リングは、回転に対し不変であるため、またそのアスペクト比の単純な補正で、遠近歪みの影響の大半が取り除かれるため、検出が容易である。配向軸１６を使用することで、感知デバイスはセンサーのヨーによるタグの近似的平面配向を決定することができる。配向軸は、一意的な配向が得られるように傾いている。４つの透視ターゲット１７により、感知デバイスはタグの正確な２次元透視変換、したがってセンサーに相対的なタグの正確な３次元位置及び配向を推論することができる。
【００７５】
すべてのターゲット構造は、ノイズに対する耐性を増すために大きさに冗長性を持たせてある。
【００７６】
全体的なタグ形状は円形である。これは、とりわけ、不規則三角形格子上で最適なタグ充填をサポートする。円形検出リングと併用することで、これにより、タグ内のデータビットの円形配列を最適にものにできる。そのサイズを最大化するために、それぞれのデータビットは、２本の半径方向の直線と２つの同心円の円弧を境界線とする領域形態において半径方向のウェッジによって表される。それぞれのウェッジは、１６００ｄｐｉで最小寸法８ドットを有し、その基部（その内弧）がこの最小寸法に少なくとも等しくなるように設計される。半径方向のウェッジの高さは、常に最小寸法に等しい。それぞれの４ビットデータシンボルは、２×２のウェッジのアレイによって表される。
【００７７】
６個のコードワードのそれぞれの１５個の４ビットデータシンボルは、インタリーブされた形で４つの同心円シンボルリング１８ａから１８ｄに割り当てられる。シンボルは、タグの周りを円にそって進みつつ交互に割り当てられる。
【００７８】
インタリーブは、同一コードワードの２つのシンボルの間の平均空間距離を最大にするように設計される。
【００７９】
感知デバイスを介してタグ付き領域との「シングルクリック」インタラクションをサポートするために、感知デバイスは、領域内のどこに位置しようと、又はどのような配向で位置しようと、視野内で少なくとも１つのタグ全体が見えるようになっていなければならない。したがって、感知デバイスの視野の必要な直径は、タグのサイズ及び間隔の関数として表される。
【００８０】
円形のタグ形状を仮定すると、センサー視野の最小直径は、タグが図５ｂに示されているように等辺三角形格子上にタイリングされるときに得られる。
【００８１】
２．４ タグのイメージ処理及び復号化
ネットページペンなどの感知デバイスによって実行されるタグのイメージ処理及び復号化は、図７に示されている。取り込まれたイメージがイメージセンサーから取得されている間に、イメージのダイナミックレンジが決定される（２０で）。そこで、範囲の中心は、イメージ２１のバイナリ閾値として選択される。次いで、イメージは閾値化されて、複数の連結ピクセル領域（つまり、形状２３）にセグメント分割される（２２で）。小さすぎてタグターゲット構造を表現できない形状は、破棄される。それぞれの形状のサイズ及び重心も、計算される。
【００８２】
次いで、形状毎に２値形状モーメント２５が計算され（２４で）、これらは、その後ターゲット構造を特定するための基礎となる。中心形状モーメントは、その性質上、位置の不変量であり、縮尺、アスペクト比、及び回転の不変量に容易にできる。
【００８３】
リングターゲット構造１５は、最初に特定されるべきものである（２６で）。リングは、遠近歪みが生じたときに非常によい振る舞いをするという利点を有する。マッチングは、それぞれの形状のモーメントをアスペクト正規化し、回転正規化することにより進行する。２次モーメントが正規化されると、リングは、遠近歪みが大きかったとしても容易に認識できる。リングの元のアスペクト及び回転２７は、一緒になって、透視変換の有用な近似を与える。
【００８４】
軸ターゲット構造１６は、次に特定されるべきものである（２８で）。マッチングは、それぞれの形状のモーメントにリングの正規化を適用し、その結果得られるモーメントを回転正規化することにより進行する。２次モーメントが正規化された後、軸ターゲットは容易に認識される。軸の２つの可能な配向の曖昧さをなくすには、３次モーメントが１つ必要であることに留意されたい。これが可能なように、形状は片側へ故意に傾けられている。また、遠近歪みが軸ターゲットの軸を隠すことができるため、リングの正規化を適用された後に軸ターゲットを回転正規化することのみ可能であることにも留意されたい。軸ターゲットの元の回転は、ペンのヨー２９によりタグの回転の有用な近似を与える。
【００８５】
４つの透視ターゲット構造１７は、最後に特定されるべきものである（３０で）。リング及び軸ターゲットに対する知られている空間的関係、リングのアスペクト及び回転、並びに軸の回転に基づき、これらの位置のよい推定値が計算される。マッチングは、それぞれの形状のモーメントにリングの正規化を適用することにより進行する。２次モーメントが正規化された後、円形透視ターゲットは容易に認識され、それぞれの推定された位置に最も近い位置にあるターゲットが一致とみなされる。次いで、４つの透視ターゲットの元の重心は、タグ空間内の知られているサイズの正方形の遠近歪みのあるコーナー３１とみなされ、自由度８の透視変換３３は、４つのタグ空間とイメージ空間点対との関係を定めるよく理解されている式を解くことに基づき（３２で）推論される（相互参照により本明細書に内容が組み込まれている、Ｈｅｃｋｂｅｒｔ、Ｐ．、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｔｅｘｔｕｒｅ Ｍａｐｐｉｎｇ ａｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｗａｒｐｉｎｇ」、Ｍａｓｔｅｒｓ Ｔｈｅｓｉｓ、Ｄｅｐｔ．ｏｆ ＥＥＣＳ、Ｕ．ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ａｔ Ｂｅｒｋｅｌｅｙ、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．ＵＣＢ／ＣＳＤ８９／５１６、１９８９年６月を参照のこと）。
【００８６】
タグ空間内のそれぞれの知られているデータビット位置をイメージ空間内に（３６で）射影するために推論されたタグ空間／イメージ空間透視変換が使用されるが、その際に入力イメージ内の４つの関連する隣接ピクセルを（３６で）双線形補間するために実数値をとる位置が使用される。すでに計算されているイメージ閾値２１は、その結果を閾値化して最終的なビット値３７を出力するために使用される。
【００８７】
３６０個すべてのデータビット３７が、このようにして得られた後、６つの６０ビットリードソロモンコードワードのそれぞれが復号化され（３８で）、２０個の復号化されたビット３９、つまり合計１２０個の復号化されたビットが得られる。コードワードシンボルは、コードワード順序でサンプリングされ、したがってコードワードは、サンプリングプロセスにおいて暗黙のうちに逆インタリーブされることに留意されたい。
【００８８】
リングターゲット１５は、リングがもし見つかれば完全なタグの一部であることを保証するイメージとの関係を持つイメージの部分領域内でのみ探索される。完全なタグが見つからず、正常に復号化された場合、現在のフレームについてペン位置はいっさい記録されない。適切な処理能力があり、理想的には最小でない視野１９３を持つ場合、代替え戦略として、現在のイメージ内で他のタグを探す必要がある。
【００８９】
得られたタグデータは、タグを含む領域の識別及びその領域内のタグの位置を示す。次いで、領域内のペン先の正確な位置３５とともにペンの全体的配向３５が、タグ上で観察された透視変換３３及びペンの物理的軸とペンの光軸との間の知られている空間的関係から（３４で）推論される。
【００９０】
２．５ 代替えのタグ構造
上述のタグ構造は、タグの規則正しいタイリングが可能でない場合のある非平面の表面のタグ付けをサポートするように設計されている。より一般的である、タグの規則正しいタイリングが可能な平面の表面、つまり、用紙などの表面の場合には、タイリングの規則正しさを利用する、より効率的なタグ構造が使用されうる。
【００９１】
図６ａは、４つの透視ターゲット１７を持つ正方形のタグ４を示している。構造に関してはＢｅｎｎｅｔｔらの米国特許第５０５１７４６号明細書で説明されているタグと似ている。タグは、合計２４０ビットについて、６０個の４ビットリードソロモンシンボル４７を表す。タグは、それぞれの１ビットをドット４８として表し、それぞれのゼロビットを、対応するドットが存在しないことで表す。透視ターゲットは、図６ｂ及び６ｃに示されているように、隣接するタグの間で共有されるように設計されている。図６ｂは、１６個のタグの正方形のタイリング及び対応する最小視野１９３を示しているが、これは、２つのタグの対角線にわたっていなければならない。図６ｃは、９つのタグの正方形のタイリングを示しているが、例示のためすべての１ビットを含む。
【００９２】
１１２ビットのタグデータは、（１５，７）リードソロモン符号を使用して冗長符号化され、２４０個の符号化ビットを生成する。４つのコードワードは、バースト誤りに対する回復力が最大になるようにタグ内で空間的にインタリーブされる。１６ビットタグＩＤを前のように仮定すると、これにより、最大９２ビットまでの領域ＩＤが得られる。
【００９３】
タグのデータを保持するドット４８は、隣接要素と重ならないように設計されており、したがって、タグのグループがターゲットに似た構造を生成することはありえない。また、これによりインクが節約される。したがって、透視ターゲットでは、タグを検出することができ、したがって他のターゲットは不要である。タグイメージ処理は、上の第１．２．４節で説明されているように進行するが、ただし、ステップ２６及び２８は省かれる。
【００９４】
タグは、センサーに相対的なタグの４つの可能な配向の曖昧さの除去を可能にする配向機能を備えることができるけれども、タグデータ中に配向データを埋め込むことも可能である。例えば、これら４つのコードワードは、それぞれのタグ配向が、図６ｄに示されているように、その配向に置かれている１つのコードワードを含むように配列することができ、それぞれのシンボルは、そのコードワードの数（１〜４）及びコードワード内のシンボルの位置（Ａ〜Ｏ）をラベル付けされる。次いで、タグ復号化は、それぞれの配向で１つのコードワードを復号化することからなる。それぞれのコードワードは、それが第１のコードワードであるかどうかを示す単一のビットを含むか、又はそれがどのコードワードであるかを示す２つのビットを含むことができる。後者のアプローチには、例えば、ただ１つのコードワードからなるデータコンテンツが必要な場合に、所望のデータを得るために高々２つのコードワードを復号化すればよいという利点がある。これは、領域ＩＤが１つのストローク内で変化するとは予想されず、したがってストロークの開始時にのみ復号化される場合であると考えられる。次いで、１つのストローク内で、タグＩＤを含むコードワードのみが望まれる。さらに、感知デバイスの回転は、１つのストローク内でゆっくりと予測可能なように変化するため、典型的には、ただ１つのコードワードがフレーム毎に復号化されるだけでよい。
【００９５】
まったく透視ターゲットなしで済ますことが可能であり、代わりに、データ表現が自己登録することに依存することが可能である。この場合、それぞれのビット値（又は多ビット値）は、典型的には、明示的グリフによって表される、つまり、どのビット値も、グリフが存在しないことによって表されることはない。これにより、データ格子は適切に埋められることが保証され、したがって、その格子を確実に識別し、その遠近歪みを検出し、その後、データサンプリング時に訂正することができる。タグ境界を検出できるようにするために、それぞれのタグデータは、マーカーパターンを含んでいなければならず、またこれらは、確実に検出できるように冗長符号化されなければならない。このようなマーカーパターンのオーバーヘッドは、明示的な透視ターゲットのオーバーヘッドに似ている。このようなスキームの１つでは、格子頂点に相対的なさまざまな点に位置するドットを使用して、異なるグリフを表し、したがって異なる多ビット値を表す（Ａｎｏｔｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ、Ａｎｏｔｏ ２０００年４月を参照のこと）。
【００９６】
追加のタグ構造は、本発明の出願人又は譲受人によって出願された米国特許の公報（前述した特許文献１）において開示されている。
【００９７】
２．６ タグマップ
タグを復号化すると、その結果、領域ＩＤ、タグＩＤ、及びタグ相対的ペン変換が得られる。タグＩＤ及びタグ相対的ペン配置をタグ付き領域内の絶対配置に変換する前に、その領域内のタグの配置が知られていなければならない。この配置は、タグマップによって与えられるが、これは、タグ付き領域内のそれぞれのタグＩＤを対応する配置にマッピングする機能である。タグマップクラスダイアグラムは、ネットページプリンタクラスダイアグラムの一部として図２２に示されている。
【００９８】
タグマップは、タグを含む表面領域をタイリングするために使用されるスキームを反映し、これは表面の種類に応じて異なりうる。複数のタグ付き領域が、同じタイリングスキーム及び同じタグナンバリングスキームを共有する場合、これらは、さらに、同じタグマップも共有しうる。
【００９９】
１つの領域に対するタグマップは、領域ＩＤを介して取り出せなければならない。したがって、領域ＩＤ、タグＩＤ、及びペン変換が与えられた場合、タグマップが取り出され、タグＩＤがその領域内の絶対タグ配置に変換され、タグ相対的ペン配置がタグ配置に追加され、これによりその領域内の絶対ペン配置が得られる。
【０１００】
タグＩＤは、タグマップを介した変換を補助する構造を有していてもよい。例えば、タグＩＤが出現する表面の種類に応じて、直交座標（ｘ−ｙ）又は極座標を符号化することができる。タグＩＤ構造は、タグマップによって指示され、タグマップに認識され、したがって、異なるタグマップに関連付けられたタグＩＤは、異なる構造を持つことができる。
【０１０１】
２．７ タグ付けスキーム
好ましい符号化スキームでは、すでに説明したように「配置指示」タグを使用する。代替え符号化スキームでは、オブジェクト指示タグを使用する。
【０１０２】
配置指示タグは、タグ付き領域に関連付けられているタグマップを介して変換されたときに、その領域内で一意的なタグ配置を生成するタグＩＤを含む。ペンのタグ相対的配置が、このタグ配置に加えられ、これにより、領域内のペンの配置が求められる。次いで、これは、その領域に関連付けられているページ記述におけるユーザーインターフェース要素に相対的なペンの配置を決定するために使用される。ユーザーインターフェース要素それ自体が識別されるだけでなく、ユーザーインターフェース要素に相対的な配置も識別される。したがって、配置指示タグが、特定のユーザーインターフェース要素のゾーン内の絶対ペン経路の取り込みをサポートするのは自明である。
【０１０３】
オブジェクト指示タグは、その領域に関連付けられているページ記述でユーザーインターフェース要素を直接識別するタグＩＤを含む。ユーザーインターフェース要素のゾーン内のすべてのタグは、そのユーザーインターフェース要素を識別し、それらをすべて同じものにし、したがって、区別できなくする。したがって、オブジェクト指示タグは、絶対ペン経路の取り込みをサポートしない。しかし、相対的ペン経路の取り込みは、サポートする。位置サンプリング頻度が、遭遇するタグの頻度の２倍を超える限り、１つのストローク内での一方のサンプリングされたペン位置から次の位置への変位は、明確に決定されうる。
【０１０４】
いずれかのタグ付けスキームを使用することで、タグは、タグデータが感知デバイスによって読み取られ、適切な応答がネットページシステム内に生成されるようにユーザーが適切な感知デバイスを使用して印刷されたページとのインタラクションを行うことができるという点でユーザーインタラクティブ要素としてネットページ上の関連する視覚的要素と連携して機能する。
【０１０５】
３ ドキュメント及びページ記述
ドキュメント及びページ記述クラスダイアグラムの好ましい一実施形態は、図１２及び１３に示されている。
【０１０６】
ネットページシステムでは、ドキュメントは３つのレベルで記述される。最も抽象的なレベルにおいて、ドキュメント８３６は階層構造をなし、この構造の終端要素８３９はテキストオブジェクト、テキストスタイルオブジェクト、イメージオブジェクトなどのコンテンツオブジェクト８４０に関連付けられている。ドキュメントがプリンタで特定のページサイズに印刷されると、ドキュメントはページ番号を付けられ、また他の何らかの形でフォーマットされる。フォーマットされた終端要素８３５は、場合によっては、特にコンテンツオブジェクトがスタイルに関係付けられている場合に、対応する終端要素に関連付けられているものと異なるコンテンツオブジェクトに関連付けられる。ドキュメント及びページのそれぞれの印刷インスタンスは、さらに、別々に記述され、これにより、特定のページインスタンス８３０を通じて取り込まれた入力を同じページ記述の他のインスタンスを通じて取り込まれた入力とは別に記録することができる。
【０１０７】
ページサーバ上に最も抽象的なドキュメント記述が存在するため、ソースドキュメントの特定のフォーマットを無理矢理受け入れさせずともドキュメントのコピーを印刷することができる。ユーザー又は印刷機は、例えば、異なるページサイズでプリンタ用のコピーを要求している場合がある。逆に、ページサーバ上にフォーマットされたドキュメント記述が存在することにより、ページサーバは、特定の印刷されたページ上のユーザーアクションを効率よく解釈することができる。
【０１０８】
フォーマットされたドキュメント８３４は、一組のフォーマットされたページ記述５からなり、それぞれの記述は一組のフォーマットされた終端要素８３５からなる。それぞれのフォーマットされた要素は、ページ上に１つの空間的広がりつまりゾーン５８を有する。これにより、ハイパーリンク及び入力フィールドなどの入力要素のアクティブ領域が定義される。
【０１０９】
ドキュメントインスタンス８３１は、フォーマットされたドキュメント８３４に対応する。これは、一組のページインスタンス８３０からなり、それぞれのインスタンスは、フォーマットされたドキュメントのページ記述５に対応する。それぞれのページインスタンス８３０は、単一の一意的な印刷ネットページ１を記述し、ネットページのページＩＤ ５０を記録する。ページインスタンスは、別に要求されたページのコピーを表す場合にはドキュメントインスタンスの一部ではない。
【０１１０】
ページインスタンスは、一組の終端要素インスタンス８３２からなる。要素インスタンスは、インスタンス特有の情報を記録する場合にのみ存在する。したがって、ハイパーリンクインスタンスは、そのページインスタンスに特有のトランザクションＩＤ ５５を記録するのでハイパーリンク要素に対し存在し、フィールドインスタンスは、そのページインスタンスに特有の入力を記録するのでフィールド要素に対し存在する。しかし、要素インスタンスは、テキストフローなどの静的要素については存在しない。
【０１１１】
終端要素８３９は、視覚的要素又は入力要素とすることができる。視覚的要素は、静的要素８４３又は動的要素８４６とすることができる。入力要素は、図１４に示されているように、ハイパーリンク要素８４４又はフィールド要素８４５とすることができる。静的要素８４３は、図１５に示されているように、関連するスタイルオブジェクト８５４を有するスタイル要素８４７、関連するスタイル化されたテキストオブジェクト８５５を有するテキストフロー要素８４８、関連するイメージオブジェクト８５６を有するイメージ要素８４９、関連するグラフィックオブジェクト８５７を有するグラフィック要素８５０、関連するビデオクリップオブジェクト８５８を有するビデオクリップ要素８５１、関連するオーディオクリップオブジェクト８５９を有するオーディオクリップ要素８５２、又は関連するスクリプトオブジェクト８６０を有するスクリプト要素８５３とすることができる。
【０１１２】
ページインスタンスは、特定の入力要素に適用されないページ上で取り込まれた任意のデジタルインクを記録するために使用されるバックグラウンドフィールド８３３を有する。
【０１１３】
本発明の好ましい形態では、タグマップ８１１が、ページ上のタグをページ上の配置に変換できるようにそれぞれのページインスタンスに関連付けられている。
【０１１４】
４ ネットページネットワーク
好ましい一実施形態では、ネットページネットワークは、図３に示されているように、インターネットなどのネットワーク１９を介して接続されている、ネットページページサーバ１０、ネットページ登録サーバ１１、ネットページＩＤサーバ１２、ネットページアプリケーションサーバ１３、及びネットページリレーデバイス６０１の分散型の集合体からなる。
【０１１５】
ネットページ登録サーバ１１は、ユーザー、ペン、プリンタ、及びアプリケーションの間の関係を記録するサーバであり、これにより、さまざまなネットワーク活動の許可を行う。これは、ユーザーを認証し、アプリケーショントランザクションにおいて認証されたユーザーに代わってサイニングプロキシとして動作する。これはまた、手書き認識サービスも提供する。上述のように、ネットページページサーバ１０は、ページ記述及びページインスタンスに関する永続的情報を保持する。ネットページネットワークは、任意の数のページサーバを備え、それぞれのサーバはページインスタンスの部分集合を処理する。ページサーバは、さらに、ページインスタンス毎にユーザー入力値を維持するので、ネットページリレー６０１などのクライアントは、ネットページ入力を直接、適切なページサーバに送信する。ページサーバは、対応するページの記述に関してそのような入力を解釈する。
【０１１６】
ネットページＩＤサーバ１２は、オンデマンドでドキュメントＩＤ ５１を割り当て、そのＩＤ割当てスキームを用いてページサーバの負荷分散を行う。
【０１１７】
ネットページリレーは、インターネット分散型ネームシステム（ＤＮＳ）、又は同様のものを使用して、ネットページＩＤ ５０を、対応するページインスタンスを処理するネットページページサーバのネットワークアドレスに帰着させる。
【０１１８】
ネットページアプリケーションサーバ１３は、インタラクティブネットページアプリケーションをホストするサーバである。
【０１１９】
ネットページサーバは、ＩＢＭ、Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ、及びＳｕｎなどのメーカー製のさまざまなネットワークサーバプラットフォーム上でホストされうる。複数のネットページサーバを単一のホスト上で同時実行させることができ、また単一のサーバを多数のホスト上に分散させることができる。ネットページサーバによって提供される機能の一部又は全部、並びに特にＩＤサーバ及びページサーバによって提供される機能は、また、ネットページプリンタなどのネットページアプライアンスにおいて、又はコンピュータワークステーションにおいて、又はローカルネットワーク上でも直接提供されうる。
【０１２０】
５ ネットページペン
ネットページシステムのアクティブな感知デバイスは、クリッカー（表面上の特定の位置をクリックするため）、スタイラス（ポインタストロークを使用して表面上でポイントするか、又はジェスチャーを使用するため）を有するポインタ、又はマーキング用ペン先（表面上でポイントしたり、ジェスチャーを使用したり、書いたりするときに表面にインクでマーキングするため）を有するペンの形態をとりうる。本明細書では、ペン１０１が説明されているけれども、クリッカー及びポインタは、類似の構造を持つものとしてもよいことは理解されるであろう。ペン１０１では、組込コントローラ１３４を使用して、イメージセンサーを介して１つのページからネットページタグを取り込んで復号化する。イメージセンサーは、近赤外線波長でのみ感知を許す適切なフィルタを備えた固体デバイスである。以下でさらに詳しく説明されるように、システムは、ペン先が表面といつ接触したかを感知することができ、ペンは、人間の手書きを取り込む十分なレートで（つまり、２００ｄｐｉ又はそれ以上、及び１００Ｈｚ又はそれ以上の速さで）タグを感知することができる。ペンによって取り込まれた情報は、暗号化されて、無線によりプリンタ（又は基地局）に送信され、プリンタ又は基地局が（知られている）ページ構造に照らしてデータを解釈することができる。
【０１２１】
ネットページペン１０１の好ましい実施形態は、通常のマーキングインクペンとしての動作及びノンマーキングスタイラスとして（つまり、ポインタとして）の動作の両方を行う。しかし、マーキングの態様は、インターネットインターフェースとして使用される場合などには、ネットページシステムをブラウジングシステムとして使用するうえでは不要である。それぞれのネットページペンは、ネットページシステムに登録され、一意的なペンＩＤ ６１を有する。図１１は、ネットページペンクラスダイアグラムを示しており、これはネットページネットワーク上で登録サーバ１１によって保持されるペン関連情報を反映する。
【０１２２】
ペン先がネットページと接触すると、ペンは、その位置及び配向をページに相対的に決定する。ペン先は、力センサーに取り付けられ、ペン先にかかる力は、閾値に関して解釈され、ペンが「上がっている（アップ）」のか「降りている（ダウン）」のかを示す。このため、ペン先で押すことによりページ上のインタラクティブ要素を「クリック」し、例えば、ネットワークに情報を要求することができる。さらに、力は連続値として取り込まれ、例えば、署名の力学的プロセス全体を照合することができる。力センサーについては、第８節でさらに詳しく説明される。
【０１２３】
ペンは、赤外線スペクトルで、ペン先の近くにあるページの一領域１９３を撮像することにより、ネットページ上のそのペン先の位置及び配向を決定する。これは、最も近い位置にあるタグを復号化し、撮像されたタグ上の観察された遠近歪み及びペンの光学系の知られている幾何学的形状からタグに相対的なペン先の位置を計算する。タグの位置分解能は、低い場合があるけれども、ページ上のタグ密度は、タグサイズに反比例するので、調整された位置分解能は、極めて高く、正確な手書き認識に必要な最小分解能を超える。
【０１２４】
ネットページに関するペンアクションは、一連のストロークとして取り込まれる。ストロークは、ペンダウンイベントによって開始され、その後のペンアップイベントによって完了する、ページ上のタイムスタンプが記録されたペン位置の１つの系列からなる。ストロークは、さらに、ページＩＤが変化したときに必ずネットページのページＩＤ ５０をタグとして付けられ、通常の状況下では、ストロークの開始時に行われる。
【０１２５】
それぞれのネットページペンには、現在の選択８２６が関連付けられており、これにより、ユーザーは、コピー及び貼り付けオペレーションなどを実行できる。選択には、タイムスタンプが付けられており、これにより、システムは定められた期間を過ぎた後にその選択を破棄することができる。現在の選択では、ページインスタンスの一領域を記述する。これは、ページのバックグラウンド領域に関してペンを通じて取り込まれた一番最近のデジタルインクストロークからなる。これは、選択ハイパーリンクアクティブ化を介してアプリケーションにサブミットされた後にアプリケーション特有の方法で解釈される。
【０１２６】
それぞれのペンは、現在のペン先８２４を有する。これは、ペンによってシステムに最後に通知されたペン先である。上述のデフォルトのネットページペンの場合、マーキング用黒色インクペン先又はノンマーキングスタイラスペン先のいずれかが現在のペン先である。それぞれのペンは、さらに、現在のペン先スタイル８２５を有する。これは、例えば、ユーザーがパレットから色を選択したことに対する応答として、アプリケーションによってペンに最後に関連付けられたペン先スタイルである。デフォルトのペン先スタイルは、現在のペン先に関連付けられているペン先スタイルである。ペンを通じて取り込まれたストロークは、現在のペン先スタイルをタグ付けされる。ストロークは、その後再現される場合に、タグ付けに使用されたペン先スタイルで再現される。
【０１２７】
ペン１０１は、１つ又は複数のボタン２０９を有する場合があり、これらのボタンは、ペンのモードを選択するためにユーザーによって押される。ペンの挙動を決定するために（１つ又は複数の）ボタンが使用され、次いでペンの挙動はページサーバ１０によってストロークがどのように解釈されるかを決定する。
【０１２８】
ペンが、通信できるリレーデバイス６０１の範囲内にある限り、ペンは、「オンライン」ＬＥＤをゆっくり点滅させる。ペンがページに関してストロークを復号化することに失敗した場合、「エラー」ＬＥＤを一瞬点灯させる。ペンがページに関してストロークを復号化することに成功した場合、「ｏｋ」ＬＥＤを一瞬点灯させる。
【０１２９】
取り込まれたストロークのシーケンスが、デジタルインクと称される。デジタルインクは、手書きのオンライン認識及び署名のオンライン照合のための描画及び手書きのデジタル交換の基盤をなす。
【０１３０】
ペンは、無線通信を行い、短距離無線リンクを介してリレーデバイス６０１にデジタルインクを送信する。送信されたデジタルインクは、プライバシー及び機密保護のため暗号化され、効率よく伝送できるようにパケット化されるが、プリンタでタイミングよく処理できるようにペンアップイベント発生時に常にフラッシュされる。
【０１３１】
ペンは、リレーデバイス６０１の範囲外にある場合、これは、デジタルインクを、１０分を超える連続する手書きの容量を有する、内部メモリにバッファリングする。ペンがもう一度リレーデバイスの範囲内に入ったら、これはバッファリングされているデジタルインクを転送する。
【０１３２】
ペンを登録できるリレーデバイスの数に制限はないが、すべての状態データが紙とネットワークの両方のネットページ内に置かれるため、特定の時点においてペンがどのリレーデバイスと通信しているかは、概して重要でない。
【０１３３】
ペンの一実施形態は、図８から図１０を参照しつつ、以下の第７節でさらに詳しく説明される。
【０１３４】
６ ネットページのインタラクション
ネットページリレーデバイス６０１は、ネットページ１とのインタラクションのためにペンが使用される場合にペン１０１からのストロークに関係するデータを受け取る。タグ４の符号化データ３は、ストロークなどの移動を実行するために使用される場合にペンによって読み取られる。このデータによって、特定のページの識別を決定し、そのページに関するペンの位置決めの指示を得ることができる。ページＩＤ ５０及びペンの少なくとも１つの位置を含むインタラクションデータは、リレーデバイス６０１に送信され、そこで、ＤＮＳを介して、ストロークのページＩＤ ５０を、対応するページインスタンス８３０を保持するネットページページサーバ１０のネットワークアドレスに帰着させる。次いで、ストロークをページサーバに送信する。ページが前の方のストロークにおいて最近識別されていた場合、リレーデバイスは、すでに、キャッシュ内に関連するページサーバのアドレスを有している可能性がある。それぞれのネットページは、ネットページページサーバによって永続的に保持されるコンパクトページレイアウトからなる（以下を参照のこと）。ページレイアウトとは、典型的にはネットページネットワーク上の他の場所に格納されている、イメージ、フォント、テキスト断片などのオブジェクトのことである。
【０１３５】
ページサーバは、ペンからストロークを受け取ると、ストロークの適用先となるページ記述を取り出し、そのストロークが交差するページ記述の要素を決定する。そこで、関連する要素の型に関してストロークを解釈することができる。
【０１３６】
「クリック」とは、ペンダウン位置とその後のペンアップ位置との間の距離と時間が両方とも何らかの小さな最大値よりも小さいストロークのことである。クリックによってアクティブ化されるオブジェクトは、典型的には、クリックがアクティブ化されることを必要とし、したがって、長引いたストロークは無視される。「ぞんざいな」クリックなどペンアクションの登録失敗は、ペンの「ｏｋ」ＬＥＤからの応答がないことでわかる。
【０１３７】
ネットページページ記述には、ハイパーリンクとフォームフィールドの２種類の入力要素がある。フォームフィールドによる入力も、関連付けられているハイパーリンクのアクティブ化をトリガしうる。
【０１３８】
６．１ ハイパーリンク
ハイパーリンクは、メッセージをリモートアプリケーションに送信する一手段であり、典型的には、ネットページシステムにおける表示又は印刷による応答を引き出す。
【０１３９】
ハイパーリンク要素８４４は、ハイパーリンクのアクティブ化を取り扱うアプリケーション７１、アプリケーションへのハイパーリンクを識別するリンクＩＤ ５４、ユーザーのアプリケーションエイリアスＩＤ ６５をハイパーリンクアクティブ化に含めるようシステムに求める「エイリアス要求」フラグ、及びハイパーリンクがお気に入りとして記録されるか、又はユーザーの履歴に現れるときに使用される記述を識別する。ハイパーリンク要素クラスダイアグラムは、図１６に示されている。
【０１４０】
ハイパーリンクがアクティブ化されると、ページサーバは、ネットワーク上のどこかにあるアプリケーションに要求を送信する。アプリケーションは、アプリケーションＩＤ ６４によって識別され、アプリケーションＩＤは、ＤＮＳを介して通常の方法で帰着させられる。ハイパーリンクには、図１７に示されているように、一般ハイパーリンク８６３、フォームハイパーリンク８６５、及び選択ハイパーリンク８６４の３種類がある。一般ハイパーリンクは、リンクドキュメントの要求を実行するか、或いは単純に、サーバにプリファレンスを信号として送ることができる。フォームハイパーリンクは、対応するフォームをアプリケーションにサブミットする。選択ハイパーリンクは、現在の選択をアプリケーションにサブミットする。現在の選択に、単語テキスト断片が含まれる場合、例えば、アプリケーションは、その単語が出現する文脈内での単語の意味を示す単一ページのドキュメント、又は異なる言語への翻訳を返すことができる。それぞれのハイパーリンクの種類は、どのような情報がアプリケーションにサブミットされるかにより特徴付けられる。
【０１４１】
対応するハイパーリンクインスタンス８６２は、ハイパーリンクインスタンスが出現するページインスタンスに特有のものとすることができるトランザクションＩＤ ５５を記録する。トランザクションＩＤを使用すると、ユーザー特有のデータをアプリケーション、例えばユーザーの代わりに購入アプリケーションによって保持される購入保留中の「ショッピングカート」に対し識別することができる。
【０１４２】
システムは、ペンの現在の選択８２６を選択ハイパーリンクアクティブ化に含める。システムは、関連付けられているフォームインスタンス８６８のコンテンツをフォームハイパーリンクアクティブ化に含めるが、ハイパーリンクに「ｓｕｂｍｉｔ ｄｅｌｔａ」属性が設定されている場合には、最後のフォームサブミット以降の入力のみが含まれる。システムは、有効なリターンパスをすべてのハイパーリンクアクティブ化に含める。
【０１４３】
ハイパーリンク付きグループ８６６は、図１８に示されているように、関連付けられたハイパーリンクを有するグループ要素８３８である。入力が、グループ内のフィールド要素を通じて実行される場合、そのグループに関連付けられているハイパーリンク８４４がアクティブ化される。ハイパーリンク付きグループは、ハイパーリンクの挙動をチェックボックスなどのフィールドに関連付けるために使用されうる。また、連続する入力をアプリケーションに送るために、フォームハイパーリンクの「ｓｕｂｍｉｔ ｄｅｌｔａ」属性とともに使用されうる。したがって、これは、「黒板」インタラクションモデルをサポートするために、つまり、入力が取り込まれ、出現するとすぐに共有される場合に、使用されうる。
【０１４４】
６．２ ハイパーリンクアクティブ化プロトコル
ハイパーリンクアクティブ化プロトコルの好ましい一実施形態は、図４２に示されている。
【０１４５】
ユーザーが、ネットページペンでネットページをクリックすると、ペンは、そのクリックをインタラクションデータの形式で最も近い位置にあるネットページリレーデバイス６０１に伝達する。このクリックで、ページとそのページ上の配置が識別される。リレーデバイス６０１では、ペン接続プロトコルからペンのＩＤ ６１をすでに認識している。
【０１４６】
リレーデバイス６０１は、ＤＮＳを介して、特定のページＩＤ ５０を取り扱うページサーバ１０のネットワークアドレスを決定する。そのアドレスは、ユーザーが同じページとのインタラクションを最近行っていた場合にキャッシュ内にすでに入っている可能性がある。次いで、リレーデバイス６０１は、ペンＩＤ、その固有のデバイスＩＤ ６２、ページＩＤ及びクリック配置をページサーバに転送する。
【０１４７】
ページサーバは、ページＩＤによって識別されたページ記述５をロードし、クリックが、もしあればどの入力要素のゾーン５８内で行われているかを決定する。関連する入力要素が、ハイパーリンク要素８４４であると仮定した場合、ページサーバは、関連付けられているアプリケーションＩＤ ６４及びリンクＩＤ５４を取得し、ＤＮＳを介して、アプリケーション７１をホストするアプリケーションサーバのネットワークアドレスを決定する。
【０１４８】
ページサーバは、ペンＩＤ ６１を使用して、登録サーバ１１から対応するユーザーＩＤ ６０を取得し、次いで、大域的に一意的なハイパーリンクリクエストＩＤ ５２を割り当て、ハイパーリンクリクエスト９３４を構成する。ハイパーリンクリクエストクラスダイアグラムは、図２６に示されている。ハイパーリンクリクエストは、要求側のユーザー及びリレーデバイスのＩＤを記録し、クリックされたハイパーリンクインスタンス８６２を識別する。次いで、ページサーバは、それ固有のサーバＩＤ ５３、ハイパーリンクリクエストＩＤ、及びリンクＩＤをアプリケーションに送信する。
【０１４９】
アプリケーション側では、アプリケーション特有のロジックに従って応答ドキュメントを生成し、ＩＤサーバ１２からドキュメントＩＤ ５１を取得する。次いで、アプリケーションは、ドキュメントを、ドキュメントの新規に割り当てられたＩＤに関わるページサーバ１０ｂに、要求側ページサーバのＩＤ及びハイパーリンクリクエストＩＤと一緒に送信する。
【０１５０】
第２のページサーバは、ハイパーリンクリクエストＩＤ及びアプリケーションＩＤを第１のページサーバに送信して、対応するユーザーＩＤ及びデバイスＩＤ ６２を取得する。第１のページサーバは、そのハイパーリンクリクエストが失効しているか、又は異なるアプリケーションに対するものである場合にそのリクエストを拒絶する。
【０１５１】
第２のページサーバは、ドキュメントインスタンス及びページＩＤ ５０を割り当てて、新規に割り当てられたページＩＤをアプリケーションに返し、完全なドキュメントを自データベースに追加し、最後に、ページ記述を要求側リレーデバイスに送信する。
【０１５２】
ハイパーリンクインスタンスは、意味のあるトランザクションＩＤ ５５を含むことができ、この場合、第１のページサーバは、アプリケーションに送信されるメッセージ中にトランザクションＩＤを含める。これにより、アプリケーションは、ハイパーリンクアクティブ化のためトランザクション特有のコンテキストを確立することができる。
【０１５３】
ハイパーリンクが、ユーザーエイリアスを必要とする、つまり、その「ａｌｉａｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ」属性が設定された場合、第１のページサーバは、ペンＩＤ ６１とハイパーリンクのアプリケーションＩＤ ６４の両方を登録サーバ１１に送信し、ペンＩＤに対応するユーザーＩＤだけでなくアプリケーションＩＤとユーザーＩＤに対応するエイリアスＩＤ ６５も取得する。これは、アプリケーションに送信されるメッセージ中にエイリアスＩＤを含み、これにより、アプリケーションはハイパーリンクアクティブ化のためユーザー特有のコンテキストを確立することができる。
【０１５４】
６．３ フォーム
フォームは、印刷されたネットページを通じて関係する一組の入力を取り込むために使用される関連する入力フィールドの集合体を定めるものである。フォームにより、ユーザーは１つ又は複数のパラメータを、サーバ上で実行中のアプリケーションソフトウェアプログラムにサブミットすることができる。
【０１５５】
フォーム８６７は、ドキュメント階層内の一グループ要素８３８である。これは、最終的には一組の終端フィールド要素８３９を含む。フォームインスタンス８６８は、フォームの印刷インスタンスを表す。これは、フォームのフィールド要素８４５に対応する一組のフィールドインスタンス８７０からなる。それぞれのフィールドインスタンスは、関連付けられた値８７１を有し、その型は対応するフィールド要素の型に依存する。それぞれのフィールド値は、特定の印刷フォームインスタンスを通じて、つまり、１つ又は複数の印刷ネットページを通じて入力を記録する。フォームクラスダイアグラムは、図１９に示されている。
【０１５６】
それぞれのフォームインスタンスは、そのフォームがアクティブであるか、フリーズしているか、サブミットされたか、無効であるか、又は失効しているかを示すステータス８７２を有する。フォームは、最初に印刷されるときにはアクティブである。フォームは、いったん署名されるか、又はフリーズ時間に達すると、フリーズする。フォームは、その複数のサブミットハイパーリンクのうちの１つがアクティブ化された後、ハイパーリンクにその「ｓｕｂｍｉｔ ｄｅｌｔａ」属性が設定されていない限り、サブミットされる。フォームは、ユーザーがｖｏｉｄ ｆｏｒｍ、ｒｅｓｅｔ ｆｏｒｍ、又はｄｕｐｌｉｃａｔｅ ｆｏｒｍページコマンドを呼び出すと無効になる。フォームは、その指定された失効時間に達すると、つまり、フォームがアクティブである時間がフォームの指定寿命を超えた場合に、失効する。フォームがアクティブである場合、フォーム入力が許可される。アクティブでないフォームを介した入力は、代わりに、関連するページインスタンスのバックグラウンドフィールド８３３において取り込まれる。フォームがアクティブであるか、又はフリーズしている場合、フォームサブミットが許可される。フォームがアクティブ又はフリーズの状態でないときにフォームをサブミットしようとしても、拒絶され、代わりに、フォームステータスレポートを引き出す。
【０１５７】
それぞれのフォームインスタンスは、それから導出されるフォームインスタンスに関連付けられ（５９で）、バージョン履歴を提供する。これにより、特定の期間のフォームの最新バージョンを除くすべてを検索から除外することができる。
【０１５８】
入力はすべて、デジタルインクとして取り込まれる。デジタルインク８７３は、一組のタイムスタンプ付きストロークグループ８７４からなり、それぞれは一組のスタイル付きストローク８７５からなる。それぞれのストロークは、一組のタイムスタンプ付きペン位置８７６からなり、それぞれの位置はさらにペンの配向及びペン先の力を含む。デジタルインククラスダイアグラムは、図２０に示されている。
【０１５９】
フィールド要素８４５は、チェックボックスフィールド８７７、テキストフィールド８７８、描画フィールド８７９、又は署名フィールド８８０とすることができる。フィールド要素クラスダイアグラムは、図２１に示されている。フィールドのゾーン５８内に取り込まれるデジタルインクが、フィールドに割り当てられる。
【０１６０】
チェックボックスフィールドは、図２２に示されているように、関連付けられたブール値８８１を有する。チェックボックスフィールドのゾーン内に取り込まれたマーク（チェックマーク、十字形、ストローク、塗りつぶしジグザグなど）によって、真値がフィールドの値に割り当てられる。
【０１６１】
テキストフィールドは、図２３に示されているように、関連付けられたテキスト値８８２を有する。テキストフィールドのゾーン内に取り込まれたデジタルインクは、オンライン手書き認識により自動的にテキストに変換され、そのテキストがフィールドの値に割り当てられる。オンライン手書き認識は、よく理解されている（例えば、相互参照により本明細書に組み込まれているＴａｐｐｅｒｔ、Ｃ．、Ｃ．Ｙ．Ｓｕｅｎ並びにＴ．Ｗａｋａｈａｒａ、「Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｔ ｉｎ Ｏｎ−Ｌｉｎｅ Ｈａｎｄｗｒｉｔｉｎｇ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．８、１９９０年８月を参照のこと）。
【０１６２】
署名フィールドは、図２４に示されているように、関連付けられたデジタル署名値８８３を有する。署名フィールドのゾーン内に取り込まれたデジタルインクは、ペンの所有者の識別に関して自動的に照合され、フィールドが一部となっているフォームのコンテンツのデジタル署名が生成され、フィールドの値に割り当てられる。デジタル署名は、そのフォームを所有するアプリケーションに特有のペンユーザーの秘密署名鍵を使用して生成される。オンライン署名照合はよく理解されている（例えば、相互参照により本明細書に組み込まれているＰｌａｍｏｎｄｏｎ、Ｒ．及びＧ．Ｌｏｒｅｔｔｅ、「Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｗｒｉｔｅｒ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ − Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｔ」、Ｐａｔｔｅｒｎ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．２、１９８９年を参照のこと）。
【０１６３】
フィールド要素は、「ｈｉｄｄｅｎ」属性が設定されている場合に隠される。隠しフィールド要素は、ページ上に入力ゾーンを持たず、入力を受け付けない。これは、フィールドを含むフォームがサブミットされたときにフォームデータに含まれる関連付けられているフィールド値を持つことができる。
【０１６４】
削除を示す取り消し線などの「Ｅｄｉｔｉｎｇ」コマンドも、フォームフィールド内で認識可能である。
【０１６５】
手書き認識アルゴリズムは、「オフライン」（つまり、ペンマーキングのビットマップにのみアクセスできる）ではなく、「オンライン」（つまり、ペン移動の力学的プロセスにアクセスできる）で動作するので、改行なしでばらばらに書かれた文字を、書き込む人に依存する学習フェーズなしで比較的高い精度で認識できる。しかし、書き込む人に依存する手書きモデルは、時間の経過とともに自動的に生成され、必要ならば前もって生成されるようにできる。
【０１６６】
デジタルインクは、すでに述べたように、一連のストロークからなる。特定の要素のゾーン内で始まるストロークが、要素のデジタルインクストリームに付加され、解釈に備える。オブジェクトのデジタルインクストリームに付加されていないストロークは、バックグラウンドフィールドのデジタルインクストリームに付加される。
【０１６７】
バックグラウンドフィールド内に取り込まれたデジタルインクは、選択ジェスチャーとして解釈される。１つ又は複数のオブジェクトの周囲は、概して、外接オブジェクトの選択として解釈されるが、実際の解釈はアプリケーションによって異なる。
【０１６８】
表２は、ペンとネットページとのいくつかの典型的なインタラクションをまとめたものである。
【表２】
システムは、それぞれのペンに対する現在の選択を保持する。選択は、単純に、バックグラウンドフィールド内に取り込まれた一番最近のストロークからなる。選択は、必ず予測可能な挙動となるように不活動タイムアウトの後にクリアされる。
【０１６９】
すべてのフィールド内に取り込まれたローデジタルインクは、ネットページページサーバ上に保持され、適宜、フォームがアプリケーションにサブミットされるとフォームデータとともに送信される。これにより、アプリケーションは、手書きされたテキストの変換など、元の変換が疑わしい点がある場合にローデジタルインクの問い合わせを行うことができる。これは、例えば、いくつかのアプリケーション固有の一貫性チェックに通らないフォームに対するアプリケーションレベルの人間の介入を伴いうる。これの拡張として、フォームのバックグラウンド領域全体が、描画フィールドとして指定されうる。次いで、アプリケーションは、フォームの明示的フィールドの外にデジタルインクが存在するということに基づき、フォームを人間のオペレータに送ることを決定することができるが、ただし、ユーザーがこれらのフィールドの外で記入済みフィールドへの修正を示している可能性のあることを仮定する。
【０１７０】
図２５は、ネットページに相対的なペン入力の取り扱いプロセスの流れ図を示している。このプロセスは、ペンからストロークを（８８４で）受け取ることと、ストローク内のページＩＤ ５０が指しているページインスタンス８３０を（８８５で）識別することと、ページ記述５を（８８６で）取り出すことと、ストロークが交差するゾーン５８のフォーマット済み要素８３９を（８８７で）識別することと、フォーマット済み要素がフィールド要素に対応しているかどうかを（８８８で）判定し、もしそうならば、受け取ったストロークをフィールド値８７１のデジタルインクに（８９２で）付加し、フィールドの累積したデジタルインクを（８９３で）解釈し、フィールドがハイパーリンク付きグループ８６６の一部であるかどうかを（８９４で）判定し、もしそうならば、関連付けられているハイパーリンクを（８９５で）アクティブ化することと、それとは別に、フォーマット済み要素がハイパーリンク要素に対応しているかどうかを（８８９で）判定し、もしそうならば、対応するハイパーリンクを（８９５で）アクティブ化することと、それとは別に、入力フィールド又はハイパーリンクが存在しない場合に、受け取ったストロークをバックグラウンドフィールド８３３のデジタルインクに（８９０で）付加することと、受け取ったストロークを、登録サーバによって保持されているような、現在のペンの現在の選択８２６に（８９１で）コピーすることとからなる。
【０１７１】
図２５Ａは、図２５に示されているプロセスにおけるステップ８９３の詳細流れ図を示しており、フィールドの蓄積されたデジタルインクは、フィールドの種類に応じて解釈される。このプロセスは、フィールドがチェックボックスであるかどうかを（８９６で）判定し、またデジタルインクがチェックマークを表しているかどうかを（８９７で）判定し、もしそうならば、真値をフィールド値に（８９８で）割り当てることと、それとは別に、フィールドがテキストフィールドであるかどうかを（８９９で）判定し、もしそうならば、適切な登録サーバの助けを借りて、デジタルインクをコンピュータテキストに（９００で）変換し、変換されたコンピュータテキストをフィールド値に（９０１で）割り当てることと、それとは別に、フィールドが署名フィールドであるかどうかを（９０２で）判定し、もしそうならば、適切な登録サーバの助けを借りて、デジタルインクをペンの所有者の署名として（９０３で）照合し、これもまた登録サーバの助けを借り、対応するアプリケーションに関係するペン所有者の秘密署名鍵を使用して、対応するフォームのコンテンツのデジタル署名を（９０４で）作成し、デジタル署名をフィールド値に（９０５で）割り当てることとからなる。
【０１７２】
７ ネットページペン及びプリンタの説明
７．１ ペンの機構
図８及び図９を参照すると、一般的に参照番号１０１で示されているペンは、ペンコンポーネントを装着するための内部空間１０４を定める壁１０３を有するプラスチック成形物の形態のハウジング１０２を備えている。ハウジング１０２上にモードセレクターボタン２０９が備えられている。ペン頂部１０５は、ハウジング１０２の一端１０６に回転可能なように装着されて動作する。半透明カバー１０７は、ハウジング１０２の対向端１０８に固定される。カバー１０７はまた、成形プラスチック製であり、ハウジング１０２内に装着されたＬＥＤのステータスをユーザーが見られるようにするために半透明材料を使って形成されている。カバー１０７は、ハウジング１０２の端部１０８を実質的に囲んでいる主部１０９及び主部１０９から後ろへ突き出て、ハウジング１０２の壁１０３内に形成された対応する溝１１１内に嵌る突起部１１０を備える。無線アンテナ１１２は、ハウジング１０２内の突起部１１０の背後に装着される。カバー１０７上の開口１１３Ａを囲むネジ山１１３は、対応するネジ山１１５を含む形で金属末端部１１４を受け入れるように配置されている。金属末端部１１４は、インクカートリッジを交換できるように取り外し可能である。
【０１７３】
さらに、カバー１０７内には、フレックスＰＣＢ １１７上に３色ステータスＬＥＤ １１６が装着されている。アンテナ１１２も、フレックスＰＣＢ １１７上に装着されている。ステータスＬＥＤ １１６は、全方位にわたってよく見えるようにペン１０１の頂部に装着される。
【０１７４】
ペンは、通常のマーキングインクペン及びノンマーキングスタイラスの両方として動作しうる。ペン先１１９を伴うインクペンカートリッジ１１８及びスタイラス先端１２１を伴うスタイラス１２０が、ハウジング１０２内に並べて装着される。インクカートリッジペン先１１９又はスタイラスペン先１２１のいずれかが、ペン頂部１０５を回転させることにより、金属末端部１１４の開放端１２２を通して前方に出されうる。それぞれのスライダーブロック１２３及び１２４は、それぞれ、インクカートリッジ１１８及びスタイラス１２０に装着される。回転可能なカム筒１２５は、動作時にペン頂部１０５に固定され、それと一緒に回転するように配列される。カム筒１２５は、カム筒の壁１８１内に溝の形でカム１２６を備える。スライダーブロック１２３及び１２４から突き出ているカム従動子１２７及び１２８は、カム溝１２６内に収まる。カム筒１２５が回転すると、スライダーブロック１２３又は１２４は、互いに相対的に移動し、金属末端部１１４内の孔１２２を通してペン先１１９又はスタイラスペン先１２１を突き出す。ペン１０１は３つの動作状態を有する。頂部１０５を９０度ステップまで回すことにより、これら３つの状態は以下のようになる。
・スタイラス１２０のペン先１２１が出る。
・インクカートリッジ１１８のペン先１１９が出る。
・インクカートリッジ１１８のペン先１１９も、スタイラス１２０のペン先１２１も出ない。
【０１７５】
第２のフレックスＰＣＢ １２９は、ハウジング１０２内に収まっている電子回路シャシ１３０上に装着される。第２のフレックスＰＣＢ １２９は、表面上に投影する赤外線を送るための赤外線ＬＥＤ １３１を装着する。イメージセンサー１３２は、表面から反射した放射線を受け取るために第２のフレックスＰＣＢ １２９上に装着されるように構成されている。第２のフレックスＰＣＢ １２９は、さらに、ＲＦ送信機及びＲＦ受信機を備える無線周波数チップ１３３、並びにペン１０１の動作を制御するためのコントローラチップ１３４を装着する。光学系ブロック１３５（成型透明プラスチックで形成されている）は、カバー１０７内に配置され、赤外線ビームを表面上に投射し、イメージセンサー１３２上へのイメージを受け取る。電源線１３６は、第２のフレックスＰＣＢ １２９上のコンポーネントを、カム筒１２５内に取り付けられている電池接点１３７に接続する。端子１３８は、電池接点１３７とカム筒１２５に接続する。３ボルト充電式電池１３９が、カム筒１２５内に配置され、電池接点と接触する。誘導充電コイル１４０は、第２のフレックスＰＣＢ １２９の周りに装着されており、これで、誘導作用を介して電池１３９の充電を行うことができる。第２のフレックスＰＣＢ １２９は、さらに、スタイラス１２０又はインクカートリッジ１１８のいずれかが書くために使用されたときにカム筒１２５内の変位を検出するための力センサー１４３を装着し、ペン先１１９又はスタイラスペン先１２１によって表面に加えられる力を測定することができるようにしている。力センサー１４３の例示的な配置については、第８節でさらに詳しく説明される。
【０１７６】
ゴム製グリップパッド１４１及び１４２は、ペン１０１の握りを補助するためにハウジング１０２の端部１０８に向けて備えられており、頂部１０５は、さらに、ペン１０１をポケットに留めるためのクリップ１４２も備える。
【０１７７】
７．２ ペンコントローラ
ペン１０１は、赤外線スペクトルで、ペン先の近くにある表面の一領域を撮像することにより、ペン先（スタイラスペン先１２１又はインクカートリッジペン先１１９）の位置を決定するように配列されている。これは、最も近い位置にある配置タグから配置データを記録し、また光学系１３５及びコントローラチップ１３４を使用して配置タブからペン先１２１又は１１９の距離を計算するように配列される。コントローラチップ１３４は、ペンの配向及び撮像されたタグ上で観察される遠近歪みからのペン先−タグ間距離を計算する。
【０１７８】
ペン１０１は、ＲＦチップ１３３及びアンテナ１１２を使用して、デジタルインクデータ（機密保護のため暗号化され、効率よく伝送できるようにパッケージ化されている）をコンピューティングシステムに送信することができる。
【０１７９】
ペンがリレーデバイス６０１の範囲内にある場合、デジタルインクデータは、形成されるのと同時に送信される。ペン１０１が、範囲外に移動すると、デジタルインクデータは、ペン１０１内にバッファリングされ（ペン１０１の回路は、表面上の約１２分間のペンの動作に対するデジタルインクデータを格納するように配置されたバッファを備える）、後から送信できる。
【０１８０】
参照により本明細書に内容が組み込まれている出願人の米国特許第６，８７０，９６６号明細書では、交換可能なインクカートリッジペン先及びスタイラスペン先を有しているペン１０１について説明されていた。これにより、また図２７を参照すると、ペン１０１がコンピューティングシステムに接続すると、コントローラ１３４は、ペンＩＤ、ペン先ＩＤ １７５、現在の絶対時間１７６、及びオフラインになる前にシステムから最後に行われた取得の絶対時間をシステムに通知する。ペンＩＤを使用することで、コンピューティングシステムは、複数のペンがコンピューティングシステム内で動作しているときにペンを識別することができる。
【０１８１】
ペン先ＩＤを使用することにより、コンピューティングシステムはどのペン先（スタイラスペン先１２１又はインクカートリッジペン先１１９）が現在使用されているかを識別することができる。コンピューティングシステムは、どのペン先が使用されているかに応じてシステムのオペレーションを変えることができる。例えば、インクカートリッジペン先１１９が使用されている場合、表面に対しなされたインクマーキングによって即時フィードバックが返されるため、コンピューティングシステムはフィードバック出力の生成を遅らせることができる。スタイラスペン先１２１が使用されている場合、コンピューティングシステムは、即時フィードバック出力を生成することができる。
【０１８２】
ユーザーが前のストロークと次のストロークとの間でペン先１１９、１２１を変えることができるため、ペン１０１は、適宜、ストローク１７５についてペン先ＩＤを記録する。これは、後のストロークに暗黙のうちに関連付けられているペン先ＩＤとなる。
【０１８３】
特定のペン先特性を有するカートリッジは、ペン内で交換可能であってよい。ペンコントローラ１３４は、カートリッジのペン先ＩＤ １７５を取得するためにカートリッジに問い合わせを行うことができる。ペン先ＩＤ １７５は、ＲＯＭ又はカートリッジ上のバーコードに格納されうる。コントローラ１３４は、変更するときには必ずシステムにペン先ＩＤを通知する。これにより、システムは、ストローク１７５を発生するために使用されるペン先の特性を判定することができ、これにより、その後、ストロークそれ自体の特性を再現することができる。
【０１８４】
コントローラチップ１３４は、ペン１０１内の第２のフレックスＰＣＢ １２９上に装着される。図１０は、コントローラチップ１３４のアーキテクチャをより詳細に例示するブロック図である。図１０は、さらに、ＲＦチップ１３３、イメージセンサー１３２、３色ステータスＬＥＤ １１６、ＩＲ照明ＬＥＤ １３１、及び力センサー１４３の図である。
【０１８５】
ペンコントローラチップ１３４は、制御用プロセッサ１４５を備える。バス１４６は、コントローラチップ１３４のコンポーネント間のデータのやり取りを可能にする。フラッシュメモリ１４７及び５１２ＫＢ ＤＲＡＭ １４８も備える。アナログ／デジタルコンバータ１４９は、力センサー１４３からのアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されている。
【０１８６】
イメージセンサーインターフェース１５２は、イメージセンサー１３２とインターフェースをとる。トランシーバコントローラ１５３及びベースバンド回路１５４も、ＲＦ回路１５５並びにアンテナ１１２に接続されているＲＦ共振回路及びインダクタ１５６を備えるＲＦチップ１３３とインターフェースをとるように含まれている。
【０１８７】
制御用プロセッサ１４５は、イメージセンサー１３２を介して表面からタグからの配置データを取り込んで復号化し、力センサー１４３を監視し、ＬＥＤ １１６及び１３１を制御し、無線トランシーバ１５３を介して短距離無線通信を処理する。これは、中程度の性能（約４０ＭＨｚ）の汎用ＲＩＳＣプロセッサである。
【０１８８】
プロセッサ１４５、デジタルトランシーバコンポーネント（トランシーバコントローラ１５３及びベースバンド回路１５４）、イメージセンサーインターフェース１５２、フラッシュメモリ１４７、及び５１２ＫＢ ＤＲＡＭ １４８は、単一コントローラＡＳＩＣとして集積化されている。アナログＲＦコンポーネント（ＲＦ回路１５５並びにＲＦ共振回路及びインダクタ１５６）は、別のＲＦチップ内に用意される。
【０１８９】
イメージセンサーは、ＩＲフィルタを備える２１５×２１５ピクセルのＣＣＤ（このようなセンサーは、Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製であり、参照により本明細書に組み込まれているＩｔａｋｕｒａ、Ｋ Ｔ Ｎｏｂｕｓａｄａ、Ｎ Ｏｋｕｓｅｎｙａ、Ｒ Ｎａｇａｙｏｓｈｉ、及びＭ Ｏｚａｋｉの論文「Ａ １ｍｍ ５０ｋ−Ｐｉｘｅｌ ＩＴ ＣＣＤ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｃａｍｅｒａ Ｓｙｓｔｅｍ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｖｏｌ．４７、Ｎｏ．１、２０００年１月において説明されている）である。
【０１９０】
コントローラＡＳＩＣ １３４は、ペン１０１が表面と接触していないときに一定の不活動期間の後に静止状態に入る。これは、力センサー１４３を監視する専用回路１５０を組み込んでおり、ペンダウンイベントが発生するとパワーマネージャ１５１を介してコントローラ１３４を目覚めさせる。
【０１９１】
無線トランシーバは、コードレスホンによって通常使用される免許不要の９００ＭＨｚ帯で、又はそれとは別に免許不要の２．４ＧＨｚ工業科学医療（ＩＳＭ）帯で通信し、周波数ホッピング及び衝突検出を用いて、干渉のない通信を可能にする。
【０１９２】
代替えの一実施形態では、ペンは、基地局又はネットページプリンタとの短距離通信用のＩｒＤＡ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄａｔａ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ（赤外線通信協会））インターフェースを組み込んでいる。
【０１９３】
他の実施形態では、ペン１０１は、ペン１０１の軸の法平面内に取り付けられている一対の直交加速度計を備える。加速度計１９０は、図９及び１０に点線の輪郭で示されている。
【０１９４】
加速度計を備えることにより、ペン１０１のこの実施形態は、表面配置タグを参照せずに運動を感知することができ、これにより、低いレートで配置タグをサンプリングすることができる。次いで、それぞれの配置タグＩＤは、表面上の位置ではなく、注目するオブジェクトを識別することができる。例えば、オブジェクトがユーザーインターフェース入力要素（例えば、コマンドボタン）である場合、入力要素の領域内にあるそれぞれの配置タグのタグＩＤで、入力要素を直接識別することができる。
【０１９５】
ｘ及びｙ方向のそれぞれにおいて加速度計によって測定される加速度は、瞬間速度及び位置を出力するために時間に関して積分される。
【０１９６】
ストロークの開始位置は、知られていないため、ストローク内の相対的位置のみが計算される。位置積分により感知された加速度の誤差が累積するけれども、加速度計は、典型的には高分解能であり、誤差が累積するストロークの持続時間は短い。
【０１９７】
８ 力センサー
ペンのペン先に接続するのに適している力センサーは、図２８に例示されているように、１つの固定された板と少なくとも１つのバネに取り付けられている１つの移動可能な板とを有する平行板キャパシタである。外力がバネを圧縮し、これらの板の間の距離を変化させ、したがって静電容量を変化させる。静電容量の変化を測定することにより、外力の量を知ることができる。
【０１９８】
図２８では、板の分離距離をバランスよく変えるのを補助するために、２つのバネが示されているが、１つのバネ又は２つよりも多いバネを使用することもできる。さらに、図２８では、単にわかりやすくするために、バネは固定された板と移動可能な板との間に配置されているように示されており、（１つ又は複数の）バネは、これらの板に関して外部配置されうる。さらに、当業者であれば、他の平行キャパシタ配列、つまり他の機械的配列も、力センサーに利用できることを理解するであろう。また、当業者であれば、この例示的な力センサーをネットページシステム以外の状況及び環境に応用できることを理解するであろう。
【０１９９】
図２８のこのような平行板キャパシタの可変静電容量は、
【数１】
により近似できるが、ただし、式中、Ｋ１は、与えられたセンサーに対する定数であり、ｄは、板の間の距離である。距離ｄは、バネへの外力ｆによって制御され、一配列では、圧縮し、外力に比例して距離ｄを縮めるバネに加えられる力を測定する。次いで、
【数２】
であるが、ただし、式中、Ｋ２は、外力なしの場合の板の間の初期距離であり、Ｋ３は、バネ定数に関係する。次いで、
【数３】
となる。
【０２００】
静電容量Ｃｓｅｎを測定し、それにより、外力ｆを決定する一方法では、デルタ／シグマ変調装置又はコンバータなどの容量センサー回路を使用する。従来のデルタ／シグマコンバータは、図２９に例示されており、本発明の一実施形態によるデルタ／シグマ変調装置の第１の実施例は、図３０に例示されている。両方の事例は、簡素化された形式で示されている、つまり、スイッチドキャパシタ回路のスイッチは、示されていない。これは、さらに、以下で説明されている他の回路図についても同様である。
【０２０１】
図２９の回路では、励起信号Ｖｅｘが平行板キャパシタＣｓｅｎに印加され、信号ｂｓは、平均値Ｖｏｕｔがコンバータの出力を表すビットストリームである。デシメーションフィルタは、単一（又は多）ビット信号ｂｓをコンバータの出力である多ビットデジタル信号に変換するために使用される。
【０２０２】
回路が平衡状態（つまり、Ｃｓｅｎ＝０）である場合、デルタ／シグマコンバータは、そのビットストリームのデューティサイクルを５０：５０となるように調節する。積分器ｉｎｔの利得は、出力を直線的範囲に残せるフィードバックキャパシタＣｆにより制御される。キャパシタＣｓｅｎの静電容量変化に対する感度は、基準キャパシタＣｒｅｆによって制御される。コンパレータの方形波励起信号Ｖｅｘ及び出力Ｖｏｕｔが同じ電圧振幅を有する場合、変換利得は、振幅と無関係になる。次いで、コンバータ出力は、
【数４】
として表すことができ、ただし、式中、Ｋｄｉｇは、出力のところにあるデシメーションフィルタの利得である。そこで、
【数５】
となるが、ただし、式中、Ｋ４＝Ｋ２Ｋ３及びＫ５＝Ｋ１Ｋ３Ｋｄｉｇ／Ｃｒｅｆである。
【０２０３】
次いで、Ｖｄｉｇからの測定された力ｆｍｅａｓの計算は、除算と減算を必要とする。
【０２０４】
本発明の実施形態では、この計算は、図３０に例示されているように、平行板キャパシタＣｓｅｎをデルタ／シグマコンバータのフィードバック経路内に置くことにより回避される。特に、平行板キャパシタＣｓｅｎ及び基準キャパシタＣｒｅｆの位置は、キャパシタＣｓｅｎの板のうちの１つは、コンバータの出力に直接接続され、基準キャパシタＣｒｅｆは、コンバータの入力のところに置かれるように、従来のコンバータ回路における位置から逆にされている。
【０２０５】
次に、Ｖｄｉｇを単極信号として生成するコンバータの出力のところにデシメーションフィルタを使用することで、ビットストリームを反転することができ、
【数６】
となるように減算を行うと、
（式７） ｆｍｅａｓ＝Ｋ６Ｖｄｉｇ
となるが、ただし、式中、
【数７】
である。
【０２０６】
ｆ＝０のときに成り立つＣｒｅｆ＝Ｃｓｅｎｍｉｎの場合、
【数８】
となる。
【０２０７】
式４及び６からわかるように、従来のコンバータ構成では、Ｃに比例する出力を発生するが、本発明の構成では、距離に比例する１／Ｃに比例する出力を発生する。したがって、本発明の構成では、従来の構成に比べて小さな距離変化に対してより大きな静電容量変化を測定することができる。その結果、本発明の力センサーは、必要な電力を最小限に抑えつつ感知デバイスのペン先に加わる手書きの力などの比較的軽い力を正確に感知することができる。
【０２０８】
比較例の結果は、図３１及び３３に示されている。この実施例では、両方の種類のコンバータが同じ力及び出力符号範囲を取り扱うように利得が調整されている１０ビットコンバータが使用される。図３１は、Ｃに比例するコンバータについて非線形出力符号対外力の関係を示しており、図３２は、Ｃに比例するコンバータについて量子化による誤差が力の減少とともに増大するが、誤差は１／Ｃコンバータについては一定していることを示している。つまり、Ｃに比例する構成では、（ネットページペンアプリケーションでは精度に関して最も重要なものである）範囲の力の低い側で分解能が失われる。
【０２０９】
本発明の上述の構成は、１次のシグマ／デルタ容量センサーである。しかし、高次のセンサーも可能であり、本発明の範囲内にある。例えば、可能な２次シグマ／デルタ容量センサーは、図３３に示されている。
【０２１０】
２次センサーでは、図３３に例示されているようなキャパシタＣｃａｎの追加を通じて力のゼロ調整を使用し、これにより、キャパシタＣｓｅｎ上の寄生容量を相殺できる。この構成では、１次構成に比べて最適化できるパラメータが増えている。入力信号に対するコンバータのローパス応答は、より明瞭になり、カットオフ周波数は、ペン先を上げたときに、Ｃｓｅｎに比例し、つまりＣｓｅｎの最小値をとり、コンバータが大半のフィルタ処理を行う。
【０２１１】
１次（又は２次）構成のさらなる改善については、図３４及び３５に関して説明されている。従来の回路は、図３４に例示されており、そこでは相関二重サンプリング（ＣＤＳ）がオフセットの低減のため適用されている。Ｃｓｅｎが増大してゆくと、従来のデータ／シグマコンバータは、信号ｂｓで５０％のデューティサイクルを有する平衡状態に達する。したがって、変換範囲の半分（０％から５０％）しか利用可能でない。
【０２１２】
他方で、図３５に例示されている本発明の他の構成では、ＣＤＳが再び適用されるが、キャパシタＣｓｅｎの信号ｂｓは、０（ゼロ）で置き換えられ、コンバータの平衡状態を１００％デューティサイクルに変える。したがって、変換範囲全体が利用可能になる。
【０２１３】
特に、キャパシタＣｒｅｆは、Ｃｓｅｎが最小予測値にあるときにシグマ／デルタコンバータが飽和に近くなるように調整されなければならないオフセットを設定するために使用される。キャパシタＣｓｅｎでゼロ入力信号とともに積分器ｉｎｔでＣＤＳが使用される場合、キャパシタＣｓｅｎに印加されるビットストリームは、コンバータの実質的に全範囲を使用できるように変更される。
【０２１４】
ＣＤＳは、図３６に示されているように、サンプリングと評価の２つのフェーズで動作し、積分器ｉｎｔへの入力（キャパシタＣｓｅｎを通じて）は、Ｖｉｎｔ＝Ｖｅｖａｌ−Ｖｓａｍｐである。信号ｂｓが値０及び１をとることができること、並びに回路の平均Ｖｉｎｔ＝０が平衡することが仮定される。Ｖｉｎｔは、図３４の従来の回路については表３、図３５のオフセット回路については表４において計算される。
【表３】
したがって、平衡に関して、信号ｂｓは、平均Ｖｉｎｔ＝０を維持するためにデューティサイクル５０％を必要とする。
【表４】
したがって、平衡に関して、平均Ｖｉｎｔ＝０を維持するために信号ｂｓ＝１（時間の１００％）である。
【０２１５】
８．１ 挙動モデリング
ネットページシステムの力センサーのいくつかの要件を以下に示す。
・ペンダウン遅延時間＜１．５ｍｓ
・最終サンプリングレート５０Ｈｚから１５０Ｈｚ
・１０ビットを単調に出力する
・消費電力＜１００ｕＷ（５５ｕＡ＠１．８Ｖ）
・動作温度範囲−１０℃から５５℃
・６グラムでペンダウン検出
・精度＜２０％
これらの要件を考慮して、ＶＨＤＬモデリングが実行された。
【０２１６】
８．１．１ １次のＶＨＤＬ
１次シグマ／デルタ容量センサーについて書かれたＶＨＤＬモデルでは、本発明の、距離に比例する（１／Ｃ）構成を調べる。
【０２１７】
テストベンチでは、ｄを５距離単位で直線的に段階的に増分して、式１を計算した（最初の値を除き、０ではなく０．５とした）。このシミュレーションの結果、Ｃｆ＝８ｐＦ及びＣｒｅｆ＝０．４９ｐＦとしてＣｓｅｎに応じて一組の直線的ステップが得られた。積分器ｉｎｔの出力の振幅は、キャパシタＣｓｅｎによって制御され、Ｃｓｅｎ＝２０ｐＦのときに飽和する。
【０２１８】
出力電圧は、Ｃｒｅｆ／Ｃｓｅｎ（例えば、０．０８ｐＦ／０．１ｐＦ＝０．８Ｖ）で与えられる。この構成では、オフセットを設定することしかできない（フィードバックキャパシタＣｆは積分器利得を制御するだけである）。利得は、キャパシタＣｓｅｎと平行に他のキャパシタを接続することにより低減されうるが、これにより、非線形性が持ち込まれる。
【０２１９】
フィードバックキャパシタＣｆにより、積分器のダイナミックレンジを最適化することができる。クリッピングが許容される場合に積分器が適切に機能すると、クリッピングがＣｓｅｎの最大値で生じるようにＣｆに対する最小値を使用すべきである。
【０２２０】
モードを制御する選択ビットで、両方の構成を実装することも可能である。機械的公差があるため、実用的なセンサーは、オフセットと利得を設定するために２点較正を必要とする。
【０２２１】
８．１．２ ２次のＶＨＤＬ
すでに説明されているように、図３３の２次構成では、１次設計に比べて最適化できるパラメータが増えている。
【０２２２】
積分器ｉｎｔ１の出力のｄｃレベルは、比Ｃｂｓ２／Ｃｉｎ２によって制御できる。これにより、クリッピングなしでできる限り高くなければならない積分器ｉｎｔ１の利得の設定に自由度をある程度持たせることができる。ペンアップではクリッピングが生じないことが重要であり、さもなければ、ペンダウン閾値のマージンが減少する。Ｃｉｎ１は、コンバータがクリッピングなしで変換範囲の下限に近くなるように設定される。ビットストリームにおけるデューティサイクルが低すぎると、結果として、積分器ｉｎｔ２に非常に大きな偏移が生じる。常にＡＤＣの範囲内に留まることを保証するためにセンサーのゼロ力静電容量の長期間ドリフトに関してある程度の斟酌が必要である。
【０２２３】
このモデルでは、センサーは、キャパシタＣｓｅｎの板距離が５０ｕｍから１５０ｕｍの範囲内にある場合に３：１の静電容量変化を生じると仮定される。５０ｕｍでの静電容量は、１ｐＦであった。次いで、静電容量（ｐＦ単位）は、ｄ（ｕｍ）を板距離として、
【数９】
で与えられる。ｄの値は、
【数１０】
で与えられる。次いで、
【数１１】
となる。
【０２２４】
Ｃｃａｎの値は、センサー上の寄生容量を相殺するように調整される。Ｃｃａｎの量子化による残っている誤差が、結果として利得誤差となる。他方、必要な利得精度は、＜２０％である。Ｃｃａｎの分解能が、１００ｆＦであり、残っているオフセットがＣｉｎｔ１で除外された場合、コンバータは、５００ｇではなく４５５ｇを読み取る、つまり−９％の利得誤差（ソフトウェアで補正可能）となるであろう。
【０２２５】
３つのデシメータを試したが、通常は、ステップ応答が整定に約３サンプルを要する最適なノイズフィルタリングが行われるように、３次デシメータを２次コンバータとともに使用すべきである。＜２ｍｓのペンダウン検出時間要件を満たすために、出力サンプルは、１．５ｋＨｚに設定された。４２のデシメーション係数は、６４ｋＨｚの入力サンプリングクロックで使用された。１次デシメータでは、このデシメーション係数で、必要な１０ビットの分解能は得られない。２次デシメータでは、１０．８ビットの分解能が得られ、平均すると、１．３３ｍｓで１サンプル分早くペンダウンを検出することが可能であるが、確度は落ちる。
【０２２６】
この実装では、ＣＤＳを使用して、ＯＴＡオフセットを相殺し、最も重要なのは積分器ｉｎｔ１のものである。ＣＤＳは、さらに、キャパシタＣｓｅｎ及びキャパシタＣｉｎ１に由来する１／ｆノイズも減衰させるべきである。しかし、チョッピングされたＣＤＳ信号を渡さなければならないので、積分器１の入力にアンチエイリアスフィルタを加えた場合に問題が生じる。３つの正規化されたカットオフであっても、ＡＤＣ利得は約５％減少する。さらに、入力における不要信号は、サンプリング周波数の高調波で生じた場合にｄｃにエイリアスされる。これは、ふつうと違うスイッチドキャパシタ回路であるが、それは、スイッチドキャパシタの１つが外部にあり、アンチエイリアスフィルタがスイッチドキャパシタ回路の内部にしか配置されえないためである。非ＣＤＳ実装についても同じことが言え、アンチエイリアスフィルタによって、積分器入力電流を１／２クロックサイクル以内に整定させなければならない。したがって、このフィルタの機能は、サンプリング周波数よりも十分に高いｒｆ信号を減衰させることのみとしてよい。ナイキスト周波数のすぐ上の信号を減衰させるためには使用できない。
【０２２７】
８．１．３ デジタル出力の計算
この節では、ＣＤＣ出力符号を計算する式の解析表示を与える。
【０２２８】
８．１．３．１ デシメータ利得
コンバータの両方のモードについて同じである、デシメータ利得は、
【数１２】
で与えられるが、ただし、式中、ｄｅｃ＝デシメーション係数、ｎ＝デシメータの次数、ｓｃａｌｅ＝デシメータ出力における倍率であり、２の累乗でなければならない。デジタル出力は、１０ビットであり、ｓｃａｌｅは、有用なデータをこれらの１０ビット内に収めるように調整されなければならない（又は、これが許容可能な場合に何らかのクリッピングを行えるようにする）。典型的には、シグマ／デルタＣＤＣは、デシメータ出力がフルスケールに達しないように内部クリッピングを回避するためにフルスケールの１０％から９０％までの範囲内でのみ動作すべきである。
【０２２９】
例えば、Ｆｉｎ＝６４ｋＨｚ及びＦｏｕｔ＝１．５ｋＨｚ、ｄｅｃ＝４２及びｎ＝３とする。これにより、最大出力４２３＝７４０８８が得られるが、最大許容可能出力符号は、１０２３である。倍率＝１２８の場合、最大出力は、５７９となるが、＜１０２３である。しかし、最大アナログ信号範囲が、フルスケールの最大８０％までであると仮定すると、倍率は、６４に設定することができ、７４０８８＊０．８／６４＝９２６＜１０２４（範囲）となり、デジタル範囲を使用しやすくなる。この場合、Ｋｄｉｇ＝７４０８８／６４＝１１５７．６２５である。
【０２３０】
ＣＤＣ範囲を出力範囲の中心に置くために、デジタルオフセットが行われ、したがって、使用されないＣＤＣ範囲の下側１０％は、除去されうる。
【０２３１】
８．１．３．２ Ｃに比例
２次に対して、
【数１３】
が適用される。
【０２３２】
Ｃｉｎ１は、変換利得を設定し、Ｃｃａｎは、Ｃｓｅｎの範囲を利用可能な変換範囲内の中心に置くことができる。Ｖｄｉｇは、スケーリングされオフセットされたセンサー容量を表す。外側括弧内の項は、０．１から０．９までの範囲内になければならない。
【０２３３】
力は、式１２から
【数１４】
として計算され、力に関するＣｓｅｎは、
【数１５】
によって与えられる。
【０２３４】
式１４でＣｓｅｎを置き換え、オフセットがないと仮定し、Ｋ１＝Ｋ５及びＫ２＝Ｋ４Ｋｄｉｇ／Ｃｉｎ１とすると、
【数１６】
となる。
【０２３５】
８．１．３．３ １／Ｃに比例
２次に対して、
【数１７】
が適用される。
【０２３６】
外側括弧内の項は、０．１から０．９までの範囲内になければならない。力は、（オフセットがないものと仮定して）
（式１９） ｆ＝Ｋ３Ｖｄｉｇ
から計算される。
【０２３７】
Ｋ３は、
【数１８】
によって与えられるＣＤＣの勾配であり、ｆｍｉｎ（０ｇ）は最小の力、ｆｍａｘ（５００ｇ）は最大の力である。
【０２３８】
式１７において式１６からのＣｓｅｎを置き換え、式２０中のＶｄｉｇを置き換えると、
【数１９】
が得られる。
【０２３９】
例えば、Ｃｉｎ１＝Ｃｓｅｎｓｍｉｎ＝１／３ｐｆと仮定すると、Ｋ３＝２５０×６４×３／７４０８８＝０．６４７８８である。実際には、ＣＤＣがクリップしないように、Ｃｉｎ１＜Ｃｓｅｎｓｍｉｎであることに留意されたい。
【０２４０】
Ｃｉｎ１の値に誤差があるため、結果として、ＣＤＣ出力にオフセット誤差と利得誤差の両方が現れる。式１２を修正して、Ｃｉｎ１の値の誤差ｅを許すと、
【数２０】
が得られる。
【０２４１】
次いで、近似式
【数２１】
を使用すると
【数２２】
となり、勾配誤差は、
【数２３】
によって与えられるか、又は
【数２４】
のようにパーセント誤差として表される。
【０２４２】
ｅ＝１ｆＦならば、利得誤差は、Ｃｉｎ１＝１／３ｐＦに対して０．３％である。
【０２４３】
８．１．４ ＭＡＴＬＡＢ
図３７及び３８にプロットされているグラフは、第８．１．３節の式から導き出されたもので、指定されたキャパシタ値誤差による測定された力誤差を示している。
【０２４４】
シミュレーションでは、利得とオフセットに対し２点較正を仮定し、その後、２ｆＦのステップで最大＋１０ｐＦまでの誤差がＣｉｎ１に追加される。
【０２４５】
８．１．５ ノイズ分析
ペン先は、１００ｕまで移動することが許されており、したがって、５０ｕから１５０ｕまでの範囲が実用的である。センサー静電容量は、０．３３３ｐＦから１ｐＦまでの範囲内にあると予想される。次いで、Ｃｒｅｆ＝０．３３３ｐＦとすると、出力は、１Ｖから０．３３３Ｖまでの範囲内となる（全範囲の変更形態では−０．３４Ｖ）。フルスケールに到達できないことによるＳ／Ｎ損失は、２０＊ｌｏｇ（２／３）＝３．５ｄＢにすぎない。
【０２４６】
ＡＤＣの増分利得は、Ｃｓｅｎ＝０．３３３ｐＦのときに−３Ｖ／ｐｆ、Ｃｓｅｎ＝１ｐＦのときに−１Ｖ／ｐｆである。
【０２４７】
主ノイズ源は、センサーキャパシタであり、ｒｍｓノイズ電圧は、
【数２５】
で与えられるが、ただし、式中、ｋ＝１．３８×１０−２３、Ｔ＝３００、Ｃｓｅｎ＝０．３３３ｐＦであり、したがってＶｎ＝１１７ｕＶｒｍｓである。
【０２４８】
このノイズすべてが、シグマ／デルタコンバータのパスバンドに折り込まれると仮定すると、デシメーションフィルタによって一定割合のノイズが除去される。このノイズは、入力のところに存在するので、ノイズ整形は行われず、またフィルタ出力における信号対雑音比の改善は、ＯＳＲをオーバーサンプリング比として、１０ｌｏｇ（ＯＳＲ）によって与えられる。クロック周波数が６４ｋＨｚ、出力サンプルレートが１．３ｋＨｚの場合、ＯＳＲ＝４９．２３とすると、１６．９２ｄＢの改善となる。
【０２４９】
Ｃｓｅｎから出力へのコンバータの電圧利得は、挙動モデルにおいてチェックされた。Ｃｓｅｎ＝０．３３３ｐＦについては、利得は０．５である（フルスケール＝０から＋１Ｖの場合）。したがって、キャパシタによって発生するノイズは、出力では６ｄＢ低減される。しかし、Ｃｒｅｆは、さらに０．３３３ｐＦであるので等しい量のノイズをもたらし、出力のところでノイズを３ｄＢだけ増やす。例示的なコンバータは、低周波キャパシタノイズを低減するＣＤＳを実装することに留意されたい。
【０２５０】
プレデシメーションフィルタ出力ノイズは、Ｃｓｅｎ＝０．３３３ｐＦ＝１１７ｕＶ／２＝５８．５ｕＶｒｍｓ、出力信号＝１Ｖの場合である。Ｃｓｅｎ＝１ｐＦ＝０．３３３Ｖで出力する。Ｓ／Ｎ＝２０ｌｏｇ（（１−０．３３３）／５８．５ｕＶ）＝８１．１ｄＢである。デシメーションフィルタの後、Ｓ／Ｎ＝８１．１＋１６．９２＝９８ｄＢ又は１６．３ＥＮＯＢである。コンバータ出力は、ペンダウンを検出するために閾値化される必要があり、ピークノイズを考慮することが適している。ノイズのｐｋ対ｒｍｓ比を１３ｄＢと仮定すると、コンバータの分解能は、１４．２ＥＮＯＢまで下がることになる。
【０２５１】
Ｃｓｅｎ＝０．３３３ｐＦの場合、全体的なＳ／Ｎは、シグマ／デルタコンバータのＯＳＲによって、ｋＴ／Ｃノイズではなく約７０ｄＢ（１１．６ＥＮＯＢ）に制限されることに留意されたい。
【０２５２】
８．２ 設計基準
回路シミュレーションは、容量性インターフェースを実装するための基準のいくつかを示している。
【０２５３】
８．２．１ 入力インピーダンス
センサーに接続されているステージは、このノードでグラウンドへの寄生容量の効果を解消することができなければならない。入力抵抗は、１／ｇｍで与えられ、Ｃｐａｒ／ｇｍの時定数を持つＲＣフィルタを形成する。この時定数は、積分器の整定時間に支配的であり、第１のステージの最小ｇｍ要件を決定するために使用されうる。電圧ステップ応答は、
【数２６】
によって与えられる。すると、
（式２９） ｇｍｍｉｎ＝−２ＣｐａｒＦｓｌｎ（１−Ｖ）
となる。
【０２５４】
Ｃ＝５０ｐＦ及びＦｓ＝６４ｋＨｚの場合の１％の最終誤差について、ｇｍｍｉｎ＝２９ｕＭｈｏとなる。第１ステージの消費電力は、サンプリングレート及びＣｐａｒに比例することに留意されたい。
【０２５５】
センサーを第１の積分器に接続することが可能であるけれども、寄生容量に打ち勝つために低入力インピーダンスにする要件では、第１の積分器中に大電流を必要とする。バッファ及びシグマ／デルタコンバータを独立に最適化できる緩衝増幅器を使用するのはかなりよいことである。第１の積分器の電流は、実質的に低減され、全体的な消費電力は、バッファを追加することにより低減されうる。
【０２５６】
グラウンドへの寄生容量が存在する場合、バッファのｇｍによって回路の整定時間が実質的に制御され、開ループ電圧利得によって精度が決まる。ｇｍとＲｏとの間には何らかのトレードオフがありえ、同じ低周波Ａｖを維持する。よいターゲットは、Ａｖ＝８０ｄＢとなるようにｇｍ＝１００ｕＭｈｏ及びＲｏ＝１００ＭΩである。
【０２５７】
利得増大折り返しカスコードでは、４．３ｕのテール電流で動作する場合に（１ｕＡが基準回路に入る）ｇｍ＝５５ｕＭｈｏ及びＲｏ＝１４０Ｍとし、Ａｖ＝７８ｄＢを得る。センサーからの入力はシングルエンドであるため、電力を節約するシングルエンド出力ＯＴＡのみが必要である。次いで、非反転入力がｖｃｍに直結され、これにより、入力インピーダンスが最低となることを保証できる。
【０２５８】
８．２．２ ＩＮＮからＶＣＭへの接続
第１の積分器が、容量センサーと直接インターフェースするために使用される場合、未使用の差動入力をコモンモード電圧ｖｃｍに直接接続して、仮想アース加算ノードでの抵抗を最低にすることが望ましい。しかし、ＯＴＡにおけるオフセットのため、この接続は、サンプリングフェーズで格納され、評価フェーズで相殺されるように、キャパシタとなされなければならない。
【０２５９】
８．２．３ ＣＡＰＤＡＣユニットキャパシタ
２０ｆＦでは小さすぎる場合がある。慎重なレイアウト及び良好な抽出を必要とする。
【０２６０】
８．２．４ マルチプレクサ
マルチプレクサによっては、積分器の加算点に直接接続されるものもある。この場合、ボディソースダイオード及びサブスレッショルド電流による漏れは、最小限度に抑えられなければならない。十分な絶縁を得るために、ｃａｐｄａｃと変調装置入力マルチプレクサの両方にＴ字型スイッチが使用されうる。
【０２６１】
Ｔ字型スイッチが使用される場合、Ｔ字型スイッチの中点は、ｖｃｍにバイアスされなければならず、給電側の１つにバイアスされてはならない。これにより、サブスレッショルド電流は、マルチプレクサの出力ノードがｖｃｍでないときにのみ流れることが保証される。積分器加算点は、ｖｃｍでバイアスされ、これにより、サブスレッショルド漏れ電流が最小になる。
【０２６２】
励起信号を供給するフロントエンドマルチプレクサは、深さが３レベルであり、よりロジック度の高い１レベルの多重化で置き換えることが可能である。
【０２６３】
８．２．５ センサーノードの漏れ電流
センサーノードへのＤＣ漏れ電流は、回路の精度を落とす。アナログ入力パッドは、最大のソースになると予想される。１ｎＡの漏れ電流の場合、積分器１ステップ当たりの誤差はｌｎＡ＊１５．６２５ｕｓ／３ｐＦ＝５．２ｍＶとなる。両方のモードにおいて、この電流により、結果として、ペンアップの力誤差は２０ｇとなる。これは、励起信号及び変調装置入力をチョッピングすることにより解決できる。チョッピング信号は、デシメーションフィルタの出力期間内に偶数個のサイクルを含んでいなければならない。この漏れ電流が変換範囲の一部を使い切るので、コンバータがその動作範囲内に収まっていることを保証されなければならない。コンバータが飽和（これはペンアップ時に発生する可能性が最も高い）しないことを前提として、シグマ／デルタ変調装置内のフィードバックにより、範囲損失が最小限に抑えられる。
【０２６４】
パッド漏れ電流は、最大５０ｎＡまでであると予想されうる。ＮＭＯＳ保護デバイスとＰＭＯＳ保護デバイスの両方を使用し、漏れ電流のすべてがコンバータに流れ込むことのないようにする必要がある。
【０２６５】
図３９は、１サイクルおきに得られる補正された結果による５０ｎＡの漏れ電流の相殺を示している。
【０２６６】
チョップ信号は、結果として大きな誤差を生じるので２相クロック発生器の入力クロックが変化したときでなく、ｐｈ０と同時に変化すべきである。最良の解決策は、ｐｈ０でクロック動作し、デシメーションフィルタと同じクロックで動作するプログラム可能な分周器からイネーブル信号をとる、イネーブルされるトグル機能を用意することである。
【０２６７】
８．２．６ センサーの並列抵抗
センサーの並列抵抗は、チョッピングでは補正されえず、時間依存の電荷注入を行う。これは、センサーと並列につないだキャパシタのように見えるが、ただし、このキャパシタの値はクロック周波数に依存する。漏れ電流が５０ｎＡである、値１．８／（２＊５０ｎＡ）＝１８ＭΩの抵抗器をとると、図４０は、並列抵抗器なしで、数サイクル後にビットパターンが基準からずれることを示している。
【０２６８】
同等の静電容量は、
【数２７】
によって与えられるが、ただし、式中、Ｆｓはサンプリング周波数であり、Ｒｐは並列抵抗である。２の係数が２つで４の係数となる。第１は、漏れ電流の積分は、サイクル時間の半分である積分器の評価フェーズでのみ実行されることである。第２に、ＣＤＳのため、キャパシタに対するクロックの両方のフェーズで電荷が考慮される。事実上、センサーキャパシタは、ｖｄｄの電圧振幅に従うが、抵抗器は、ｖｄｄ／２にのみ従う。これは、仮想アース点が、ｖｄｄ／２に保持され、抵抗器は０又はｖｄｄで駆動されるからである。Ｆｓ＝６４ｋＨｚ及びＲｐ＝１ＧΩでは、Ｃｅｑ＝３．９ｆＦとなる。
【０２６９】
これは、アナログデバイスのデータシートによって確認され、これで、少なくとも１ＧΩは８ｆＦ又は６ｇｍの静電容量変化に相当すると推論する（Ｆｓ＝３２ｋＨｚの場合）。
【０２７０】
ペンダウン閾値が、１２ｇｍに設定された場合、静電容量変化は、５．４２ｆＦとなる。次いで、Ｒｐによる誤差が１０％又は０．５４ｆＦであることが許容された場合、Ｒｐは＞７．２ＧΩである必要がある。Ｒｐは較正されうるため、したがって、重要になるのはＲｐの変化である。
【０２７１】
Ｃｅｑは、サンプリング周波数依存キャパシタであるため、２つの異なる周波数で測定を行い、現実の寄生容量から絶縁することも可能であろう。可能な最も高いサンプリング周波数を使用すると、その効果は最小に抑えられるが、これは電力消費を最小にしようとすることに反する。
【０２７２】
８．２．７ センサーの直列抵抗
これは、本発明の構成について考慮される場合のある設計基準のうちの他方の基準である。
【０２７３】
８．２．８ ドライバの寄生容量
ドライバ出力は、クロックサイクルの半分の期間内に整定しなければならない。式
（式３１） Ｉｍｉｎ＝２ＦｓＣｐａｒＶｄ
において定電流駆動であると仮定すると、Ｆｓ＝６４ｋＨｚについて、Ｃｐａｒ＝５０ｐＦ、Ｖｄ＝１．８Ｖ、Ｉｍｉｎ＝１１．５ｕＡである。
抵抗性の駆動であると仮定すると、
【数２８】
である。
【０２７４】
センサー並列寄生容量を相殺するために、駆動波形は、高い精度で整定する必要がある。この静電容量が２ｐＦのときに誤差が１％だと、相殺誤差は２０ｆＦとなる。シミュレーションから、最大１０ＫΩまでのソース抵抗が電圧基準において許容されなければならないことがわかり、これによりスイッチ内の抵抗を追加できる。
【０２７５】
８．２．９ ＲＦフィルタ
これは、アンチエイリアシングフィルタではない。スイッチドキャパシタ回路内部にあるため、そのカットオフ周波数は、整定時間に直接影響を及ぼす。近似として、カットオフ周波数は、約１０Ｆｓでなければならない。カットオフ及び最高サンプリング周波数が１ＭＨｚ固定である場合、これは、１０ＭＨｚに設定されるべきである。
【０２７６】
８．２．１０ 節電
クロックバイアスを使用することにより、出力が入力に接続されているときに低い電圧利得が許容可能なので、積分器のサンプルフェーズ（クロックｐｈ０＝１）において電流を節約することが可能である。このサンプルフェーズで、電流消費量を１０％まで削減することが可能である。
【０２７７】
コモンモード増幅器は、バイアス電流が変化する毎にその出力を適応させなければならなかったので、コモンモード増幅器には問題があった。図４１に例示されているように、出力におけるコモンモード電圧は、小電流のときに６００ｍＶまで低下し、それが回復するには時間が不十分であった。
【０２７８】
元のＯＴＡは、ＯＴＡの出力分岐中のバイアス電流をオフセットするコモンモード増幅器に依存していた。オフセットは、バイアス電流に依存し、したがって、バイアス電流が切り替えられる毎に補正が必要であった。これは、コモンモード増幅器をプッシュプルにし、主ＯＴＡの出力分岐中の電流のバランスをとることにより解決された。したがって、シグマ／デルタ変調装置は、低電流で非常に性能が高い。
【表５】
表５は、２クロック位相における電流消費及び６４ｋＨｚクロックによる平均を示している。緩衝増幅器にはメリットがないため、クロックバイアス機能は、シグマ／デルタコンバータにのみ適用された。バンドギャップ基準及び低消費電力発振器ではさらに電流を必要とする。
【０２７９】
８．２．１１ ＰＳＲＲ
ＤＣでは、インターフェースの式中で相殺されるので、回路の動作範囲以外ではｖｄｄへの依存はない。しかし、フィードバックループは、前のクロックサイクルから次のクロックサイクルまでの間の変動を相殺できないけれども、ある種の平均化がデシメーションフィルタ内で生じる可能性がある。これは、ＶＨＤＬモデルにおいて見られるが、電源電圧除去の量は、センサー静電容量とともに変化するので簡単には推定できない。
【０２８０】
解決策は、ＣＤＣにおける基準レベルを安定化させることである。これにより、基準レベルはそれぞれ電源から４００ｍＶ程度離れていなければならないため、ＣＤＣのＳＮＲがわずかに減少する。
【０２８１】
コモンモード電圧ｖｃｍも、安定化される必要があり、ＶＤＤから直接的に導かれない。ｖｃｍは、ＶＤＤｍｉｎ又は約８００ｍＶで最適な動作をするように設定されなければならない。
【０２８２】
基準及びｖｃｍ電圧に対するレジスタ制御が、行われるべきである。
【０２８３】
アナログデバイスのデータシートに、ＤＣ、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚ以外の電源電圧除去に関する情報は載っていない。ＡＤ７７４５ボードの測定が実行されうる。
【０２８４】
８．２．１２ 積分器のリセット
主にシミュレーションのためである。追加の手間を省くため、すべてのスイッチは閉じられる。
【０２８５】
８．２．１３ 加算点
１．８Ｖの入力振幅では、図４２に示されている加算点電圧は、ＯＴＡが応答する前に０．９Ｖ±１．８Ｖに瞬時に到達しうる。この結果、クリッピング及び電荷減少が生じ、積分器の出力に大きな誤差が発生する。これは、駆動波形の立ち上がり及び立ち下がり時間のいずれかを延ばすことにより解決されうるが、これは、低インピーダンススルーレート制限ドライバが必要になるため望ましいものではない。それとは別に、キャパシタを加算点のところでグラウンドに追加することができる。これが、入力キャパシタに等しい場合、電圧振幅は、０．９Ｖ±０．９Ｖに制限されるであろう。これは、パッド及びグラウンドの寄生容量によって与えられる。
【０２８６】
Ｃｒｅｆ及びＣｆから出力への直接経路が、そこにグリッチが現れる理由となっている。
【０２８７】
８．２．１４ ＩＮＮからＶＣＭへの接続
バッファ加算点における平均電圧は、センサーが正常に動作している場合にｖｃｍでなければならない。板と板の間にショートが発生する場合、電圧はＧＮＤとＶＤＤとの間でトグルする。これは、ｖｃｍ±Ｖｔの基準レベルを使用するコンパレータと単純なローパスフィルタを組み合わせたものにより検出されうる。これは、さらに、ＧＮＤ又はＶＤＤへの感知入力のショートをも検出できる。
【０２８８】
又は、単純に、加算点がＧＮＤ＋Ｖｔより低くなるか、又はＶＤＤ−Ｖｔよりも高くなる場合を検出する。電流消費を最小にする。
【０２８９】
８．３ センサーの要件
図４３は、センサーの要件を決定するためのセンサー等価回路を例示している。
【０２９０】
以下の表６において、一度に１つだけ機能低下が適用される。
【表６】
８．４ 較正手順
必要なデシメーション係数及び対応するデシメータシフトが、最初に設定されなければならない。ＡＤＣオフセットは、０に設定されなければならない。動作モードは両方とも、利得とオフセット誤差を取り出すために２点較正を必要とする。５００ｇｍの１つの較正済みの力のみが適用される必要がある。
【０２９１】
ＣＤＣの利得は、絶対キャパシタ値に依存し、プロセス変動の影響を受ける（典型的には、ＭｉＭキャパシタの±１０％）。オフセットは、センサー寄生容量Ｃｐａｒ及びセンサー機械的許容誤差によって決まる。また、Ｒｐａｒは、有意な場合があり、適切な設計で最大化されなければならない。動的較正が使用される場合、コンバータが通常の動作範囲内に残るようにＣｃａｎのみを使用してＲｐａｒをオフセットすべきである。
【０２９２】
８．４．１ １／Ｃモード
以下の手順要素が使用される。
【０２９３】
公称ゼロ力静電容量Ｃｓｅｎｍｉｎが知られていなければならず、これは、力センサーの設計パラメータである。
【０２９４】
Ｃｉｎ１は、コンバータが、ゼロ力条件の下、フルスケールの１０％で動作するように設定されなければならない。Ｃｓｅｎｓｍｉｎが与えられたときに、この値を計算できる。式１８を使用し、Ｃｐａｒが相殺されていると仮定すると、Ｃｉｎ１＝０．９Ｃｓｅｎｓｍｉｎである。例えば、Ｃｓｅｎｓｍｉｎ＝０．３３３３ｐＦであれば、Ｃｉｎ１＝０．３ｐＦと設定する。
【０２９５】
コンバータの読み取りがスケールの１０％になるまでＣｃａｎを調整してＣｐａｒを相殺する。Ｃｐａｒの標準値が知られ、これにより、コンバータは飽和から抜け出る。第８．１．３．１節の実施例を使用すると、スケール＝６４では、１０％での読み取り値は１１６となる。
【０２９６】
ＡＤＣオフセットを設定し、コンバータのゼロ調整をする。コンバータ出力は、負であってはならないので、１０％点を設定する前にではなく、今このステップを実行する。較正された力を加えて、出力を記録し、これにより、利得較正係数を設定する。
【０２９７】
８．４．２ Ｃモード
以下の手順要素が使用される。
【０２９８】
式１７で使用されているパラメータＫ４及びＫ５はすでに決定されており、したがって、センサー及びコンバータは、それと一致するように較正される必要がある。
【０２９９】
Ｃｐａｒ及びＣｉｎ１をその標準値に設定して、コンバータを動作範囲内に入れる。
【０３００】
現在のコンバータ出力から力を計算する。
【０３０１】
較正された力を加えて、計算された出力を記録すると、２つの計算結果の差が利得較正を定める。
【０３０２】
必要な利得補正を与えるＣｉｎ１に対する値を計算し、この値を設定する。
【０３０３】
力を加えない状態で、力を計算し、力をゼロに設定するＣｃａｎに対する必要な値を計算して、この値を設定する。
【０３０４】
８．４．３ 動的較正
Ｃｃａｎのステップサイズは、約２０ｆＦとなる可能性が高く、これは、４２ｇｍの力変化を表す。ペンダウン閾値が正確であるように、Ｃｃａｎの調整とＡＤＣオフセットの組合せが使用されなければならない。１／Ｃの動作の場合、利得較正係数を再計算する必要がある。再計算しないと、Ｃｃａｎのステップサイズの結果、利得誤差は１０％となる（許容可能である場合がある）。
【０３０５】
８．５ ＡＤ７７４５の測定
ＡＤ７７４５の干渉信号に対する耐性を評価するためにいくつかの測定が行われた。不要信号が、３９ｐＦのキャパシタを介して、センサーキャパシタの出力側であるＣＩＮ１ピンに注入された。このキャパシタの追加は、測定されるセンサーキャパシタが信号発生器の出力インピーダンスを介してグラウンドに接続されているため、測定されるセンサーキャパシタに及ぼす影響は無視できるくらい小さい。センサー静電容量は、大部分約６０ｆＦの寄生容量である。
【０３０６】
ボードは、９０Ｈｚの最大サンプリングレートを出力するようにセットアップされ、両方のＣＡＰＤＡＣは、スイッチオフされた。励起レベルは、±ＶＤＤ／２の最大であり、シングルエンドモードで動作した。励起周波数は約３３ｋＨｚであった。
【０３０７】
測定されたキャパシタを変えるために必要な信号レベル（ＣＩＮ１上で測定される）は、−２０ｆＦの誤差となるように調節された。以下の表７を参照のこと。
【表７】
８．５．１ 観察結果
・２ＭＨｚより上では、注入信号は、測定静電容量を下げる。
・１ＭＨｚより下では、注入信号は、測定静電容量を上げる。
・１ＭＨｚから２ＭＨｚの間では、周波数と振幅に応じて、静電容量誤差はいずれの方向にも進みうる。
・励起周波数の高調波に近い周波数の場合、感度は最大となる（これらは、通過帯域へエイリアスされる）。
・チョップイネーブルが選択されている場合、耐性は、約３倍高まる。最大出力サンプリングレートは、４９．８Ｈｚであった。
【０３０８】
約３ＭＨｚのところに極があるように見えるが、これは、入力ＲＣフィルタとして実装されるか、又は積分器ＯＰアンプの帯域幅によるものである。データシートでは、Ｃ＝５３ｐＦ（いくぶん大きい）を持つＲＦフィルタを暗示する１Ｋ以下の入力直列抵抗を追加することも可能であることを推奨している。
【０３０９】
最も可能性の高い干渉源は、３５ＭＨｚの直列インターフェース及び２．４ＧＨｚのＢｌｕｅｔｏｏｔｈであり、これらは３ＭＨｚから十分離れている。
【０３１０】
８．５．２ ノイズ測定
これらの測定は、容量近接検出器の機械式モックアップを使用して行われた。センサーの寄生容量をオフセットするために、ＣＡＰＤＡＣＡが最大値１６．８７ｐＦに設定された。約０．７５ｐＦの静電容量変化が、直線領域において観察され、範囲の末端で粘着テープを誘電体として使用すると、１．７５ｐＦであった。９０Ｈｚのサンプリング及び±ＶＤＤ／２の励起により、ノイズレベルは、「ペンアップ」で１０００個のサンプルを使って、０．０００３６ｐＦｒｍｓ及び０．００３２ｐＦｐｋ−ｐｋと測定された。
【０３１１】
ホワイトノイズを仮定すると、９０Ｈｚから１．３ｋＨｚまでの倍率は、１０＊ｌｏｇ（１３００／９０）＝１１．６ｄＢである。
【０３１２】
０．７５ｐＦの範囲については、ｐｋ−ｐｋ信号対ｒｍｓノイズのＳ／Ｎは、Ｓ／Ｎ＝２０＊ｌｏｇ（０．７５／０．０００３６）＝６６．４ｄＢとなる。（ＡＤ７７４５では、１３ビット又は７８ｄＢのＳ／Ｎのｒｍｓ分解能を与えた場合に８ｐＦの静電容量範囲についてＳ／Ｎを計算することに留意されたい。）１．３ｋＨｚの倍率については、Ｓ／Ｎ＝６６．４ｄＢ−１１．６ｄＢ＝５４．８ｄＢ（９．１ＥＮＯＢ）である。
【０３１３】
センサーを外し、ＣＡＰＤＡＣＡをオフにした状態では、測定された静電容量は０．００５２ｐＦであった。測定されたｒｍｓノイズは、０．００００６５４ｐＦｒｍｓになり、これは１４．８ｄＢの改善である。
【０３１４】
８．６ 結論
本発明のシグマ／デルタ静電容量インターフェース構成は、特にネットページ感知デバイスのペン先に対する、力感知の問題に対する確実な解決策をもたらす。上述の構成には、外力に正比例するコンバータ出力を発生することを利用し、コンバータ出力からの力の計算におけるハードウェア除算を回避し、力の範囲全体にわたって一定の精度を維持し、コンバータの全範囲を使用するという利点がある。
【０３１５】
特定の、またモデル化された実施例の他の利点は以下のとおりである。
・センサーキャパシタへの駆動（励起）が低インピーダンスであり、電圧ピックアップの耐性がある
・センサーキャパシタは仮想アースを駆動し、電圧ピックアップ耐性がある
・センサーキャパシタの両側においてグラウンドへの寄生容量に対する許容差が高い
・能動的なガードが不要である
・１／Ｃに比例する出力を発生するように設計されうる（Ｃが大きくなると出力を圧縮し、逆に、Ｃの小さな値に対し十分な分解能をもたらす）
・ＲＦ（＞１０ＭＨｚ）誘導電圧に対する耐性が良好である
・正確なクロックを必要としない
・正確な電圧基準を必要とせず、したがって、最大励起±ＶＤＤ／２が使用されうる
・シグマ／デルタ変換の通常の利点を活かせる
・消費電力を十分に低くできる場合（プロセッサのスリープモード）、デジタル領域においてペンダウンオフセットを適用することができる
・サンプリングレートは、不要信号除去を改善するためにプロセッサがオンであるときに高められる。
【０３１６】
もちろん、本発明は、純粋に例によってのみ説明されていること、また詳細の修正は、本明細書で説明されているような本発明の範囲内において行うことができることは理解されるであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材とインタラクションを行うための感知デバイスであって、
当該感知デバイスが前記基材とインタラクションを行っているかどうかを検出するための力センサーと、
前記基材上に配置されている符号化データを感知するためのイメージセンサーと、
を備え、
前記力センサーが容量センサー回路を備え、
前記容量センサー回路には、
前記容量センサー回路の出力が１／Ｃｓｅｎに比例するように配列された可変静電容量Ｃｓｅｎを有するセンサーキャパシタ、が組み込まれている、
感知デバイス。
【請求項２】
前記感知された符号化データを使用してインタラクションデータを生成するように構成されたプロセッサをさらに備える請求項１に記載の感知デバイス。
【請求項３】
前記感知デバイスが前記基材とインタラクションを行っていることを前記力センサーが検出したときのみ、前記イメージセンサーが前記符号化データを感知するように構成されている請求項１に記載の感知デバイス。
【請求項４】
ペン先又はスタイラスを持たないクリッカー、
ノンマーキングスタイラスを有するポインタ、及び
マーキング用ペン先を有するペン
を含む群から選択される請求項１に記載の感知デバイス。
【請求項５】
前記センサーキャパシタは、１つの固定された板と１つの移動可能な板とを有する平行板キャパシタ、である請求項１に記載の感知デバイス。
【請求項６】
前記移動可能な板は、前記移動可能な板に加えられる圧力によって前記固定された板に対し相対的に移動し、これにより、前記移動可能な板と前記固定された板との間の分離距離と、前記静電容量Ｃｓｅｎとを変化させるように構成される請求項５に記載の感知デバイス。
【請求項７】
圧縮バネが前記移動可能な板に連結されている請求項５に記載の感知デバイス。
【請求項８】
前記センサーキャパシタは、
前記センサーキャパシタの前記移動可能な板と前記固定された板のうち１つが前記容量センサー回路に直結されるように、前記容量センサー回路の容量帰還回路内に配置される請求項１に記載の感知デバイス。
【請求項９】
前記容量センサー回路が、シグマ／デルタコンバータ回路である請求項８に記載の感知デバイス。
【請求項１】
基材とインタラクションを行うための感知デバイスであって、
当該感知デバイスが前記基材とインタラクションを行っているかどうかを検出するための力センサーと、
前記基材上に配置されている符号化データを感知するためのイメージセンサーと、
を備え、
前記力センサーが容量センサー回路を備え、
前記容量センサー回路には、
前記容量センサー回路の出力が１／Ｃｓｅｎに比例するように配列された可変静電容量Ｃｓｅｎを有するセンサーキャパシタ、が組み込まれている、
感知デバイス。
【請求項２】
前記感知された符号化データを使用してインタラクションデータを生成するように構成されたプロセッサをさらに備える請求項１に記載の感知デバイス。
【請求項３】
前記感知デバイスが前記基材とインタラクションを行っていることを前記力センサーが検出したときのみ、前記イメージセンサーが前記符号化データを感知するように構成されている請求項１に記載の感知デバイス。
【請求項４】
ペン先又はスタイラスを持たないクリッカー、
ノンマーキングスタイラスを有するポインタ、及び
マーキング用ペン先を有するペン
を含む群から選択される請求項１に記載の感知デバイス。
【請求項５】
前記センサーキャパシタは、１つの固定された板と１つの移動可能な板とを有する平行板キャパシタ、である請求項１に記載の感知デバイス。
【請求項６】
前記移動可能な板は、前記移動可能な板に加えられる圧力によって前記固定された板に対し相対的に移動し、これにより、前記移動可能な板と前記固定された板との間の分離距離と、前記静電容量Ｃｓｅｎとを変化させるように構成される請求項５に記載の感知デバイス。
【請求項７】
圧縮バネが前記移動可能な板に連結されている請求項５に記載の感知デバイス。
【請求項８】
前記センサーキャパシタは、
前記センサーキャパシタの前記移動可能な板と前記固定された板のうち１つが前記容量センサー回路に直結されるように、前記容量センサー回路の容量帰還回路内に配置される請求項１に記載の感知デバイス。
【請求項９】
前記容量センサー回路が、シグマ／デルタコンバータ回路である請求項８に記載の感知デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２５Ａ】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２５Ａ】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【公表番号】特表２０１０−５２４０９７（Ｐ２０１０−５２４０９７Ａ）
【公表日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５０２３９１（Ｐ２０１０−５０２３９１）
【出願日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＵ２００８／０００５０２
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１２４８６６
【国際公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ
【出願人】（３０３０２４６００）シルバーブルック リサーチ ピーティワイ リミテッド (150)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＵ２００８／０００５０２
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１２４８６６
【国際公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ
【出願人】（３０３０２４６００）シルバーブルック リサーチ ピーティワイ リミテッド (150)
【Ｆターム（参考）】
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